CN115064926A - 基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统 - Google Patents

基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光生微波技术领域，尤其涉及一种基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其为一体化芯片结构，包括三个芯片级集成单元：第一集成单元，其为有源器件，包括DFB激光器和高饱和功率光电探测器；第二集成单元，其为无源器件，包括基于硅衬底的铌酸锂薄膜调制器、铌酸锂环形回音壁廊微谐振器和CaF2回音壁廊谐振器；第三集成单元，其为集成电路芯片用以补偿光电振荡回路中的损耗并进行相位匹配，包括移相器和电放大器；本发明所述系统能够克服现有技术中自注入锁定光生微波源信号稳定差的问题，提出一种高超声速精确打击武器装备对低相噪、可调谐、高频率稳定性小型化微波源。

Description

基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统
技术领域
本发明涉及光生微波技术领域，尤其涉及一种基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统。
背景技术
微波光子信号产生技术利用微波与光波相互作用，依赖光波在高频、宽带、低损耗、抗干扰等特点，结合光子技术宽带和电子技术精细控制方面的优势，采用光电转换器件来实现光波、微波融合处理，可以有效解决传统微波信号产生技术中面临的高频率波段与高信号质量难以兼容的难题。
目前基于微波光子技术的信号产生方法主要有光学拍频、非线性调制倍频、光域分频和光电振荡技术等。光电振荡技术利用自现的射频振荡实现噪声在环腔中选择性的起振，是最具代表性的光电融合技术之一。它利用激光器发出的光信号发射到被光电调制器中进行调制，调制后的信号经过延时器件(单模光纤或者微环腔)被传输到光电探测器进行解调，然后输出的电信号经过电放大器的损耗补偿和带通滤波器的选模后被传输回光电调制器的射频端口，完成闭合的光电反馈环路，当环路增益超过损耗符合起振阈值时振荡就会形成。借助于超低损耗的延时环路组成的振荡腔，光电振荡器在超高Q值、超低相噪、超宽频率调谐范围和抗电磁干扰等方面表现出特有优势，可以产生从几百MHz到100GHz以上的高频谱纯度微波信号，并借助低损耗长光纤作为储能元件，相位噪声最低做到-163dBc/Hz@10kHz，且理论上与工作频率无关。传统的光电振荡结构借助于光纤作为一种延迟和储能介质用于降低光电振荡器的相位噪声。然而，光纤的传输延迟会随着时间的推移而变化外部环境，如温度和振动，导致输出微波频率漂移。还会限制应用平台的体积、重量和功耗。而随着信息时代的飞速发展，以及航空航天应用系统对小型化、低功耗和轻型微波源的需求越来越强烈。尤其是弹载微波信号源，信号源的体积重量将直接决定其作战效能。因此，目前大量工作致力于降低光电振荡器的体积。
中国专利公开号：CN202111340205.0公开了一种基于铌酸锂薄膜的可调谐集成光生微波源芯片及系统，包括自下而上依次层叠布置的基底晶片、下包层、铌酸锂薄膜以及上包层；铌酸锂薄膜上设有铌酸锂光波导；铌酸锂光波导包括依次连接的模斑转换波导、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三直波导和光学微腔波导；上包层上与第一直波导相对应的位置设有第一金属电极；第一金属电极、模斑转换波导以及第一直波导共同形成相位调制器；上包层上与光学微腔波导相对应的位置设有第二金属电极；第二金属电极、第三直波导以及光学微腔波导共同形成高Q微谐振器；铌酸锂薄膜上还设有与高Q微谐振器输出端相连接的探测器。该技术中光生微波源可实现小型化，但是其同样存在信号稳定差的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，用以克服现有技术中自注入锁定光生微波源信号稳定差的问题并提出一种高超声速精确打击武器装备对低相噪、可调谐、高频率稳定性小型化微波源。
为实现上述目的，本发明提供基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其为一体化芯片结构，包括三个芯片级集成单元：
第一集成单元，其为有源器件，包括用以作为系统光源的DFB激光器和用以进行系统光电转换的高饱和功率光电探测器；
第二集成单元，其为无源器件，所述第二集成单元与所述第一集成单元相连用以抑制系统相噪，包括基于硅衬底的铌酸锂薄膜调制器、铌酸锂环形回音壁廊微谐振器和CaF2回音壁廊谐振器；
第三集成单元，其与所述第一集成单元和所述第二集成单元相连，所述第三集成单元为集成电路芯片用以补偿光电振荡回路中的损耗并进行相位匹配，包括移相器和电放大器；
所述系统中，所述DFB激光器发出的光信号经过模斑耦合后传输至所述铌酸锂薄膜调制器进行调制，调制后的光信号经过直通波导耦合后传输至所述铌酸锂环形回音壁廊微谐振器中，所述铌酸锂环形回音壁廊微谐振器将耦合后的光信号进行滤波和储能作用后，通过波导光栅衍射传输至所述光电探测器进行拍频以通过光电转换将转换后的电信号输出至所述第三集成单元，所述电信号依次经过移相器完成移相，并经过电放大器补偿环路损耗后将满足起振阈值的电信号传输至所述铌酸锂薄膜调制器的射频输入端口以完成环路闭环。
进一步地，所述第一集成单元与所述第二集成单元通过波导边耦合和光栅垂直耦合方式分别将所述DFB激光器和所述高饱和功率光电探测器耦合到硅基底的薄膜铌酸锂芯片光场中。
进一步地，所述系统通过所述DFB激光器、所述铌酸锂环形回音廊壁微谐振器和相位调制器构成微波光子滤波器以进行频率调谐，频率调谐时，所述微波光子滤波器通过调节所述DFB激光器发出的光信号的波长以将微波信号的调谐范围扩大，所述微波光子滤波器通过偏压控制铌酸锂环形回音壁廊微腔的模式间隔以将微波信号频率调节至目标值。
进一步地，所述CaF2回音壁廊谐振器采用自注入效应以进行相噪抑制。
进一步地，所述系统采用集成铌酸锂薄膜和回音壁廊微腔一体化结构。
进一步地，所述起振阈值指增益值大于损耗值。
进一步地，所述DFB激光器采用InP基底。
本发明基于双腔自注入一体化集成光生微波源的滤波原理为：
本发明提出一种基于超高Q值环路自注入的双腔微波谐振环路，其频率调谐方式为：借助于微腔的超高Q值和模式间隔(FSR2)实现超低杂散信号的选模和相噪的优化，其中FSR1代表CaF2微谐振腔的模式间隔，fsr1代表CaF2微谐振腔构成的注入谐振环路的模式间隔，FSR2代表铌酸锂薄膜微谐振腔的模式间隔，fsr2代表铌酸锂薄膜微谐振腔构成的谐振环路的模式间隔，在铌酸锂谐振腔构成的主振环路中，环路中模式匹配到激光器的波长和微腔谐振模式之间的频率差(Nfsr2)就是最终射频输出的波长RF，其中，N是整数，通过调谐激光器的波长以实现频率的调谐，并且通过在铌酸锂微腔上加入电极反馈用以实现模式匹配和微波频率的调谐，采用以上两种方式的结合，可以使最终生成的微波信号实现精细调控。
进一步地，本发明在上述基于超高Q值环路自注入的双腔微波谐振环路的基础上提出一种注入锁定环路，所述环路中通过测量铌酸锂薄膜微谐振腔构成的单环路的FSR2以计算出铌酸锂微腔的等效延时，并算出环路其它的等效延时，根据计算出的铌酸锂微腔的等效延时和环路其它的等效延时计算出注入环路CaF2微谐振腔需要的Q值，通过可调谐延迟线完成两个谐振环路的模式匹配并滤除进入注入锁定环路打破环路平衡的光边带以完成相同频率的信号滤波，实现注入锁定。
进一步地，光生微波源的频率调谐是通过激光器、相位调制器和铌酸锂回音廊壁微谐振器构成的微波光子滤波器实现，通过调节激光器的波长可以实现大范围微波信号的调谐，通过偏压控制铌酸锂薄膜回音壁廊微腔的模式间隔实现微波信号频率的精细调控。
相位噪声主要取决于环路的等效Q值，通过引入高Q值的CaF2相噪抑制环路，采用自注入效应，弥补铌酸锂回音壁廊微腔Q因子受限的问题，实现超低相噪信号的输出；
长期稳定度主要取决于激光器频率稳定度以及环路温度、抖动等引起的环路频率的不稳定性，通过采用锁相环环路来实现对环路延时抖动补偿，通过激光器注入锁定到高Q因子的CaF2微谐振腔上实现激光频率的稳定，最终输出超高稳定度的信号输出；
光生微波源的重量主要受限于环路的储能延迟器件，本项目利用集成铌酸锂薄膜和回音壁廊微腔一体化技术，极大的减小集成后器件的重量。
信号线宽主要取决于环路中滤波器的带宽，项目使用的高Q值铌酸锂回音壁廊微腔和超高Q值CaF2构成的注入环路作为滤波器符合项目对信号线宽和边模抑制比的需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明针对高超声速精确打击武器装备对低相噪、可调谐、高频率稳定性小型化微波源的需求，开展基于微腔结构的双腔自注入低相噪光生微波源一体化技术研究，通过突破自注入锁定光生微波源信号稳定性提升技术、高Q值宽带可调谐铌酸锂谐振器设计与制备、基于铌酸锂薄膜波导的相位调制器技术、探测器芯片结构设计与阻抗系统设计与光电微系统异质异构三维集成技术，提出一种集成化低相噪的可调谐光生微波源，有效的提高了自注入锁定光生微波源信号的稳定性。
进一步地，本发明所述系统的光生微波源的频率调谐通过激光器、相位调制器和铌酸锂回音廊壁微谐振器构成的微波光子滤波器实现，通过调节激光器的波长可以实现大范围微波信号的调谐，通过偏压控制铌酸锂薄膜回音壁廊微腔的模式间隔，有效的实现了微波信号频率的精细调控，确保了本发明所述系统能够实现较高的频率调谐目标值。
进一步地，本发明所述系统通过引入高Q值的CaF2相噪抑制环路，采用自注入效应，计算出处注入环路CaF2微谐振腔需要的Q值，避免了铌酸锂回音壁廊微腔Q因子受限的问题，通过计算并自注入技术向环路中注入等效Q值，有效的实现了超低相噪信号的输出。
进一步地，本发明所述系统通过采用锁相环环路来实现对环路延时抖动补偿，通过激光器注入锁定到高Q因子的CaF2微谐振腔上实现激光频率的稳定，进一步保证了输出的信号具有超高稳定度。
进一步地，本发明所述系统通过利用集成铌酸锂薄膜和回音壁廊微腔一体化技术，极大的减小集成后器件的重量
附图说明
图1为本发明基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统的结构示意图；
图2为本发明基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统的滤波原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其为本发明基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统的结构示意图，本发明提供基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其为一体化芯片结构，包括三个芯片级集成单元：
第一集成单元，其为有源器件，包括用以作为系统光源的DFB激光器和用以进行系统光电转换的高饱和功率光电探测器；
第二集成单元，其为无源器件，所述第二集成单元与所述第一集成单元相连用以抑制系统相噪，包括基于硅衬底的铌酸锂薄膜调制器、铌酸锂环形回音壁廊微谐振器和CaF2回音壁廊谐振器；
第三集成单元，其与所述第一集成单元和所述第二集成单元相连，所述第三集成单元为集成电路芯片用以补偿光电振荡回路中的损耗并进行相位匹配，包括移相器和电放大器；
所述系统中，所述DFB激光器发出的光信号经过模斑耦合后传输至所述铌酸锂薄膜调制器进行调制，调制后的光信号经过直通波导耦合后传输至所述铌酸锂环形回音壁廊微谐振器中，所述铌酸锂环形回音壁廊微谐振器将耦合后的光信号进行滤波和储能作用后，通过波导光栅衍射传输至所述光电探测器进行拍频以通过光电转换将转换后的电信号输出至所述第三集成单元，所述电信号依次经过移相器完成移相，并经过电放大器补偿环路损耗后将满足起振阈值的电信号传输至所述铌酸锂薄膜调制器的射频输入端口以完成环路闭环。
请继续参阅图1所示，所述第一集成单元与所述第二集成单元通过波导边耦合和光栅垂直耦合方式分别将所述DFB激光器和所述高饱和功率光电探测器耦合到硅基底的薄膜铌酸锂芯片光场中。
具体而言，所述系统通过所述DFB激光器、所述铌酸锂环形回音廊壁微谐振器和相位调制器构成微波光子滤波器以进行频率调谐，频率调谐时，所述微波光子滤波器通过调节所述DFB激光器发出的光信号的波长以将微波信号的调谐范围扩大，所述微波光子滤波器通过偏压控制铌酸锂环形回音壁廊微腔的模式间隔以将微波信号频率调节至目标值。
具体而言，所述CaF2回音壁廊谐振器采用自注入效应以进行相噪抑制。
具体而言，所述系统采用集成铌酸锂薄膜和回音壁廊微腔一体化结构。
具体而言，所述起振阈值指增益值大于损耗值。
具体而言，所述DFB激光器采用InP基底。
具体而言，本发明所述系统基于激光器和双微腔结构的一体化光生微波源架构为：基于微腔构成的陷波微波光子滤波机理分析和集成OEO相位噪声降低技术，构建基于双腔自注入的相噪优化技术和基于分频鉴相反馈回路构建的稳相回路，实现超低相噪、超高稳定度的集成一体化光生微波源。
具体而言，本发明所述系统基于激光器和微腔陷波滤波器的宽带信号产生机理研究，通过偏压控制微腔的模式，并控制偏压和环腔延时之间的关系，实现傅里叶锁模宽带信号产生微波源，并提供其相位噪声和稳定度提升方案。
具体而言，本发明所述系统基于激光器和双微腔结构的一体化光生微波源的滤波理论研究，通过对两个环腔的模式控制，以及两个微腔模式的匹配控制，实现激光器锁模到其中一个超高Q值的微腔上以实现高稳定、可调谐信号产生。
请参阅图2所示，其为本发明基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统的滤波原理图，本发明基于双腔自注入一体化集成光生微波源的滤波原理为：
本发明提出一种基于超高Q值环路自注入的双腔微波谐振环路，其频率调谐方式为：借助于微腔的超高Q值和模式间隔(FSR2)实现超低杂散信号的选模和相噪的优化，其中FSR1代表CaF2微谐振腔的模式间隔，fsr1代表CaF2微谐振腔构成的注入谐振环路的模式间隔，FSR2代表铌酸锂薄膜微谐振腔的模式间隔，fsr2代表铌酸锂薄膜微谐振腔构成的谐振环路的模式间隔，在铌酸锂谐振腔构成的主振环路中，环路中模式匹配到激光器的波长和微腔谐振模式之间的频率差(Nfsr2)就是最终射频输出的波长RF，其中，N是整数，通过调谐激光器的波长以实现频率的调谐，并且通过在铌酸锂微腔上加入电极反馈用以实现模式匹配和微波频率的调谐，采用以上两种方式的结合，可以使最终生成的微波信号实现精细调控。
请继续参阅图2所示，本发明在上述基于超高Q值环路自注入的双腔微波谐振环路的基础上提出一种注入锁定环路，所述环路中通过测量铌酸锂薄膜微谐振腔构成的单环路的FSR2以计算出铌酸锂微腔的等效延时，并算出环路其它的等效延时，根据计算出的铌酸锂微腔的等效延时和环路其它的等效延时计算出注入环路CaF2微谐振腔需要的Q值，通过可调谐延迟线完成两个谐振环路的模式匹配并滤除进入注入锁定环路打破环路平衡的光边带以完成相同频率的信号滤波，实现注入锁定。
具体而言，光生微波源的频率调谐是通过激光器、相位调制器和铌酸锂回音廊壁微谐振器构成的微波光子滤波器实现，通过调节激光器的波长可以实现大范围微波信号的调谐，通过偏压控制铌酸锂薄膜回音壁廊微腔的模式间隔实现微波信号频率的精细调控。
具体而言，相位噪声主要取决于环路的等效Q值，本发明所述系统通过引入高Q值的CaF2相噪抑制环路，采用自注入效应，弥补铌酸锂回音壁廊微腔Q因子受限的问题，实现超低相噪信号的输出；
具体而言，长期稳定度主要取决于激光器频率稳定度以及环路温度、抖动等引起的环路频率的不稳定性，本发明所述系统通过采用锁相环环路来实现对环路延时抖动补偿，通过激光器注入锁定到高Q因子的CaF2微谐振腔上实现激光频率的稳定，最终输出超高稳定度的信号输出；
具体而言，光生微波源的重量主要受限于环路的储能延迟器件，本发明所述系统利用集成铌酸锂薄膜和回音壁廊微腔一体化技术，极大的减小集成后器件的重量。
具体而言，信号线宽主要取决于环路中滤波器的带宽，本发明所述系统使用的高Q值铌酸锂回音壁廊微腔和超高Q值CaF2构成的注入环路作为滤波器符合项目对信号线宽和边模抑制比的需求。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，其为一体化芯片结构，包括三个芯片级集成单元：
第一集成单元，其为有源器件，包括用以作为系统光源的DFB激光器和用以进行系统光电转换的高饱和功率光电探测器；
第二集成单元，其为无源器件，所述第二集成单元与所述第一集成单元相连用以抑制系统相噪，包括基于硅衬底的铌酸锂薄膜调制器、铌酸锂环形回音壁廊微谐振器和CaF2回音壁廊谐振器；
第三集成单元，其与所述第一集成单元和所述第二集成单元相连，所述第三集成单元为集成电路芯片用以补偿光电振荡回路中的损耗并进行相位匹配，包括移相器和电放大器；
所述系统中，所述DFB激光器发出的光信号经过模斑耦合后传输至所述铌酸锂薄膜调制器进行调制，调制后的光信号经过直通波导耦合后传输至所述铌酸锂环形回音壁廊微谐振器中，所述铌酸锂环形回音壁廊微谐振器将耦合后的光信号进行滤波和储能作用后，通过波导光栅衍射传输至所述光电探测器进行拍频以通过光电转换将转换后的电信号输出至所述第三集成单元，所述电信号依次经过移相器完成移相，并经过电放大器补偿环路损耗后将满足起振阈值的电信号传输至所述铌酸锂薄膜调制器的射频输入端口以完成环路闭环。
2.根据权利要求1所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述第一集成单元与所述第二集成单元通过波导边耦合和光栅垂直耦合方式分别将所述DFB激光器和所述高饱和功率光电探测器耦合到硅基底的薄膜铌酸锂芯片光场中。
3.根据权利要求2所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述系统通过所述DFB激光器、所述铌酸锂环形回音廊壁微谐振器和相位调制器构成微波光子滤波器以进行频率调谐，频率调谐时，所述微波光子滤波器通过调节所述DFB激光器发出的光信号的波长以将微波信号的调谐范围扩大，所述微波光子滤波器通过偏压控制铌酸锂环形回音壁廊微腔的模式间隔以将微波信号频率调节至目标值。
4.根据权利要求1所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述CaF2回音壁廊谐振器采用自注入效应以进行相噪抑制。
5.根据权利要求1所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述系统采用集成铌酸锂薄膜和回音壁廊微腔一体化结构。
6.根据权利要求1所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述起振阈值指增益值大于损耗值。
7.根据权利要求1所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述DFB激光器采用InP基底。
8.根据权利要求1-7所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述系统采用一种基于超高Q值环路自注入的双腔微波谐振环路，其频率调谐方式为：借助于微腔的超高Q值和模式间隔(FSR2)实现超低杂散信号的选模和相噪的优化，其中FSR1代表CaF2微谐振腔的模式间隔，fsr1代表CaF2微谐振腔构成的注入谐振环路的模式间隔，FSR2代表铌酸锂薄膜微谐振腔的模式间隔，fsr2代表铌酸锂薄膜微谐振腔构成的谐振环路的模式间隔，在铌酸锂谐振腔构成的主振环路中，环路中模式匹配到激光器的波长和微腔谐振模式之间的频率差(Nfsr2)就是最终射频输出的波长RF，其中，N是整数，通过调谐激光器的波长以实现频率的调谐，并且通过在铌酸锂微腔上加入电极反馈用以实现模式匹配和微波频率的调谐，采用以上两种方式的结合，可以使最终生成的微波信号实现精细调控。
9.根据权利要求8所述的基于微腔结构的双腔自注入一体化集成光生微波源系统，其特征在于，所述系统采用一种注入锁定环路，所述环路中通过测量铌酸锂薄膜微谐振腔构成的单环路的FSR2以计算出铌酸锂微腔的等效延时，并算出环路其它的等效延时，根据计算出的铌酸锂微腔的等效延时和环路其它的等效延时计算出注入环路CaF2微谐振腔需要的Q值，通过可调谐延迟线完成两个谐振环路的模式匹配并滤除进入注入锁定环路打破环路平衡的光边带以完成相同频率的信号滤波，实现注入锁定。
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