CN115225154A - 光子集成芯片及超宽带射频光子收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光子集成芯片，包括激光光源LD，用于产生光载波；第一光分路器OC1，用于将激光光源LD产生的光载波分为两路分别送给光子变频单元和光本振产生单元；光本振产生单元，用于生成光子变频单元所需的光本振信号并送给光子变频单元；光子变频单元，用于通过光子上变频将输入的中频信号变频为射频信号后输出，以及通过光子下变频将输入的射频信号变频为中频信号后输出。本发明中，以光子技术为核心，在光域完成上下变频和本振的产生；由于通信用的光波频率的量级远高于卫星通信和6G通信所需要处理的信号频率的量级，与光波的频率相比，微波信号变成了窄带信号；通过窄带处理的架构即可实现微波超宽的工作带宽。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种光子集成芯片及超宽带射频光子收发装置。
背景技术
在卫星通信、移动通信中，随着传输数据带宽的需求不断增大，相应的载波频率也正变得越来越高，而且日益复杂的电磁谱环境，也对载波频率的捷变能力提出了更高的要求。在卫星通信领域，其载波的频率已经覆盖了Ka、Q、V等频段；为了提高星地通信的稳定性及可靠性，尤其是在军用领域，为了避免敌方的故意干扰，需要通信载波的频率具备灵活捷变的能力。在移动通信领域，未来6G通信的载波频率将会覆盖毫米波至太赫兹波段；并且在6G系统架构中所强调的感知无线电(cognitive radio,CR)、智能无线电(intelligentradio,IR)都需要能够在宽频带上可靠的感知周围的频谱环境，并自适应的占用当前可用的本地频谱；从而更充分的利用各种频谱资源，限制和降低频谱冲突的发生。基于上述需求，卫星通信的地面用户终端以及移动通信终端，均需要一种具有超宽带频率捷变能力的射频收发单元，并且该单元应该具备体积小巧、高度集成的特点，能够方便的集成进各种大小的通信终端之内。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可用于卫星通信及移动通信的基于光子集成技术的光子集成芯片及超宽带射频光子收发装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光子集成芯片，用于超宽带射频光子收发装置，包括：
激光光源LD，用于产生光载波；
第一光分路器OC1，用于将激光光源LD产生的光载波分为两路，分别送给光子变频单元和光本振产生单元；
光本振产生单元，用于生成光子变频单元所需的光本振信号并送给光子变频单元；以及
光子变频单元，设有第一输入端口、第一输出端口、第二输入端口和第二输出端口，用于通过光子上变频将第一输入端口输入的中频信号变频为射频信号后从第一输出端口输出，以及通过光子下变频将第二输入端口输入的射频信号变频为中频信号后从第二输出端口输出。
进一步的，所述光本振产生单元包括：
光相位调制器PM，用于通过其电输入端输入的微波信号调制从第一光分路器OC1送来的输入光载波的相位，输出相位互补的上、下边带光信号给第一微环谐振器MR1；
第一微环谐振器MR1，用于通过调节其微环谐振阻带的谐振位置，使谐振阻带的中心频率对准所需频率对应的上边带频率，以滤除上、下边带光信号中所需频率的上边带信号；
第三光分路器OC3，用于将第一微环谐振器MR1输出的光信号分为两路输出，一路送入第二微环谐振器MR2，另一路送给高速光电探测器PD；
高速光电探测器PD，用于将光信号转换为微波信号从其电输出端输出；
第二微环谐振器MR2，用于调节其微环谐振通带的谐振位置，使谐振通带的中心频率对准所需的光本振信号的频率，从而对第三光分路器OC3送来的光信号进行滤波后输出光本振信号；
第四光分路器OC4，用于将第二微环谐振器MR2输出的光本振信号等分为两路输出，分别送给光子变频单元。
进一步的，所述光子集成芯片的本底采用薄膜铌酸锂本底，所述激光光源LD、第一光分路器OC1、光子变频单元和光本振产生单元均集成在所述薄膜铌酸锂本底上；其中，所述第一光分路器OC1、第三光分路器OC3、第四光分路器OC4、第一微环谐振器MR1、第二微环谐振器MR2、光相位调制器PM均为直接在所述薄膜铌酸锂本底上制作形成，所述激光光源LD和高速光电探测器PD均倒装焊在薄膜铌酸锂本底上。
进一步的，所述第一微环谐振器MR1为高Q值微环谐振器，用于对输入光进行高Q储能；所述第一微环谐振器MR1包括形成于薄膜铌酸锂本底上的直波导和第一微环，所述直波导的一端与光相位调制器PM的输出端连接，另一端与第三光分路器OC3输入端连接，所述第一微环位于直波导的一侧，所述第一微环上设置有第一控制电极，所述第一控制电极用于外接电控制信号。
进一步的，所述第二微环谐振器MR2为下载型微环谐振器，其光场传输谱存在周期性的带通滤波，所述第二微环谐振器MR2包括形成于薄膜铌酸锂本底上的微环输入波导、微环输出波导和第二微环，所述微环输入波导与第三光分路器OC3对应的输出端连接，所述微环输出波导与第四光分路器OC4的输入端连接，所述第二微环位于微环输入波导和微环输出波导之间，所述第二微环上设置有第二控制电极，所述第二控制电极用于外接电控制信号。
进一步的，所述光子集成芯片设置有第三输入端口和第三输出端口，所述高速光电探测器PD的电输出端通过微带线或金丝与第三输出端口连接，所述第三输出端口用于连接外部低噪声放大器的输入端；所述光相位调制器PM的电输入端通过微带线或金丝与第三输入端口连接，所述第三输入端口用于连接外部低噪声放大器的输出端。
进一步的，所述光子变频单元包括第二光分路器OC2、第一马赫-曾德型调制器MZM1、第二马赫-曾德型调制器MZM2、第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2
第二光分路器OC2，用于将第一光分路器OC1送来的光载波分为两路输出，分别送给第一马赫-曾德型调制器MZM1和第二马赫-曾德型调制器MZM2；
第一马赫-曾德型调制器MZM1，用于通过第一输入端口输入的中频信号对第二光分路器OC2送来的光载波进行载波抑制的双边带调制，并将得到的光调制信号送给第一光电平衡探测器BPD1；
第一光电平衡探测器BPD1，用于将第一马赫-曾德型调制器MZM1送来的光调制信号与第四光分路器OC4送来的光本振信号进行光拍频，得到射频信号并输出到第一输出端口；
第二马赫-曾德型调制器MZM2，用于通过第二输入端口输入的射频信号对第二光分路器OC2送来的光载波进行载波抑制的双边带调制，并将得到的光调制信号送给第二光电平衡探测器BPD2；
第二光电平衡探测器BPD2，用于将第二马赫-曾德型调制器MZM1送来的光调制信号与第四光分路器OC4送来的光本振信号进行光拍频，得到中频信号并输出到第二输出端口。
进一步的，所述光子集成芯片的本底采用薄膜铌酸锂本底，所述光子变频单元的第二光分路器OC2、第一马赫-曾德型调制器MZM1和第二马赫-曾德型调制器MZM2均为直接在所述薄膜铌酸锂本底上制作形成，所述第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2均倒装焊在薄膜铌酸锂本底上。
一种超宽带射频光子收发装置，包括光子集成芯片，以及
第一低噪声放大器LNA1，用于对输入的微波信号进行放大后送给光子集成芯片的第二输入端口；
第二低噪声放大器LNA2，用于将光子集成芯片的第二输出端口送来的中频信号进行放大后输出；
功率放大器PA，用于将光子集成芯片的第一输出端口送来的微波信号进行放大后输出；和
第三低噪声放大器LNA3，用于对光子集成芯片的光本振产生单元输出的微波信号进行放大后再送回光子集成芯片的光本振产生单元。
进一步的，还包括陶瓷基板，所述光子集成芯片、功率放大器PA、第一低噪声放大器LNA1、第二低噪声放大器LNA2和第三低噪声放大器LNA3均基于射频光子混合集成工艺集成于所述陶瓷基板上。
本发明中，以光子技术为核心，在光域完成上下变频和本振的产生；由于通信用的光波频率一般为1014HZ的量级，卫星通信和6G通信所需要处理的信号频率一般在109Hz～1012Hz的范围内，与光波的频率相比，电信号变成了相对带宽小于1％的窄带信号；通过窄带处理的架构即可实现微波超宽的工作带宽。另外，本发明利用光电振荡环路产生本振信号，通过改变光电振荡环路中微环谐振器的控制电极所施加的电压，可以灵活的改变所产生的本振信号的频率，实现载波频率的灵活切换。并且本发明的结构能够采用多芯片微组装的工艺将光子集成芯片和射频芯片进行共基底的混合集成，得到的超宽带射频光子收发装置具备更高的集成度；能够更好的满足卫星通信地面终端及移动通信终端对集成度及空间尺寸的要求。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明光子集成芯片的一个优选实施例的结构示意图。
图2为在薄膜铌酸锂本底上制作铌酸锂材料的器件后的结构示意图。
图3为本发明超宽带射频光子收发装置的一个优选实施例的结构示意图。
图4为频率可调谐的光电振荡器的原理图。
图5为图1中各关键点位的光谱或电频谱的示意图。
图中：100.薄膜铌酸锂本底，101.铌酸锂光波导，110.第一微环，111.直波导，113.第一控制电极，120.第二微环，121.微环输入波导，122.微环输出波导，123.第二控制电极。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明公开了一种用于超宽带射频光子收发装置的光子集成芯片，如图1所示，本发明光子集成芯片的一个优选实施例包括激光光源LD、第一光分路器OC1、光本振产生单元和光子变频单元。所述光子集成芯片可采用光子异质集成技术，将实现光发射、光调制、光储能和光探测功能的各单元集成于单个芯片之上，从而能够大大减小芯片的尺寸，以满足终端对芯片集成度及空间尺寸的要求。其中，所述光本振产生单元优选为包括光相位调制器PM、第一微环谐振器MR1、第三光分路器OC3、高速光电探测器PD、第二微环谐振器MR2和第四光分路器OC4；所述光子变频单元优选为包括第二光分路器OC2、第一马赫-曾德型调制器MZM1、第二马赫-曾德型调制器MZM2、第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2。为提高光子集成芯片的集成度，所述光子集成芯片的本底材料优选为采用薄膜铌酸锂本底100，所述光相位调制器PM、第一微环谐振器MR1、第二微环谐振器MR2、第一光分路器OC1、第二光分路器OC2、第三光分路器OC3、第四光分路器OC4、第一马赫-曾德型调制器MZM1、第二马赫-曾德型调制器MZM2和用于器件之间光路连接的铌酸锂光波导101均采用薄膜铌酸锂材料，优选为直接在薄膜铌酸锂本底100上制作完成。如图2所示，为在薄膜铌酸锂本底100上制作形成上述薄膜铌酸锂材料的器件后的示意图。
所述激光光源LD、高速光电探测器PD、第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2优选为采用Ⅲ-Ⅴ族材料，并通过倒装焊集成在薄膜铌酸锂本底100上。激光光源LD的光输出端与第一光分路器OC1的输入端连接的铌酸锂光波导101三维对准；高速光电探测器PD的光输入端与第三光分路器OC3的第二输出端连接的铌酸锂光波导101三维对准。第一光电平衡探测器BPD1的第一光输入端与第一马赫-曾德型调制器MZM1的光输出端连接的铌酸锂光波导101三维对准，第二光输入端与第四光分路器OC4的第一输出端连接的铌酸锂光波导101三维对准。第二光电平衡探测器BPD2的第一光输入端与第二马赫-曾德型调制器MZM2的光输出端连接的铌酸锂光波导101三维对准，第二光输入端与第四光分路器OC4的第二输出端连接的铌酸锂光波导101三维对准。如图1所示，为在薄膜铌酸锂本底100上集成上述器件后的示意图。
所述激光光源LD为低噪声大功率的激光光源，用于为光本振产生单元和光子变频单元提供窄线宽、低相对强度噪声、高功率的光载波。所述第一光分路器OC1优选为50:50的光分路器，所述第一光分路器OC1将激光光源LD产生的光载波等分为两路输出，一路通过其第一输出端输出后通过铌酸锂光波导101送入光子变频单元用于实现光子上下变频功能，另一路通过其第二输出端输出后通过铌酸锂光波导101送入光本振产生单元用于实现产生光本振信号的功能。
所述光本振产生单元用于生成光子变频单元所需的光本振信号并送给光子变频单元。所述光本振产生单元设置有第三输入端口和第三输出端口。所述光相位调制器PM的光输入端通过铌酸锂光波导101与第一光分路器OC1的第二输出端连接，电输入端通过微波传输线与第三输入端口连接，所述微波传输线优选为微带线或金丝。所述光相位调制器PM的光输出端通过铌酸锂光波导101与第一微环谐振器MR1的输入端连接，所述第一微环谐振器MR1的输出端通过铌酸锂光波导101与第三光分路器OC3的输入端连接。所述第三光分路器OC3的第一输出端通过铌酸锂光波导101与第二微环谐振器MR2的输入端连接，第二输出端通过铌酸锂光波导101与高速光电探测器PD的光输入端连接；所述高速光电探测器PD的电输出端通过微波传输线与第三输出端口连接。所述第二微环谐振器MR2的输出端通过铌酸锂光波导101与第四光分路器OC4的输入端连接，所述第四光分路器OC4的第一输出端和第二输出端分别通过铌酸锂光波导101与光子变频单元连接。
所述光相位调制器PM用于通过其电输入端输入的微波信号调制从第一光分路器OC1送来的光载波的相位，并输出相位互补(即相差180度，反相)的上、下边带光信号给第一微环谐振器MR1。所述第一微环谐振器MR1用于调节第一微环110的谐振阻带的谐振位置，使第一微环110的谐振阻带的中心频率对准所需的光本振频率的上边带，以滤除上、下边带光信号中所需频率的上边带信号。所述第一微环谐振器MR1为高Q值微环谐振器，用于对输入光进行高Q储能；所述第一微环谐振器MR1优选为包括形成于薄膜铌酸锂本底100上的直波导111和第一微环110，所述直波导111的一端通过铌酸锂光波导101与光相位调制器PM的输出端连接，另一端通过铌酸锂光波导101与第三光分路器OC3输入端连接。所述第一微环110位于直波导111的一侧，所述第一微环110上设置有第一控制电极113，所述第一控制电极113电连接有第一控制线(图中未示出)，用于通过第一控制线外接电控制信号。第一微环谐振器MR1的光场透过特性为周期性的带阻滤波，通过改变第一控制电极113外接的电控制信号的电压，可以改变第一微环110内传输的光信号的相位，从而改变第一微环110的阻带的谐振位置。
所述第三光分路器OC3优选为50:50的光分路器，用于将第一微环谐振器MR1输出的光信号分等为两路输出，一路送入第二微环谐振器MR2，另一路送给高速光电探测器PD。所述高速光电探测器PD用于将光信号转换为微波信号从其电输出端输出，所述微波信号用于经外接的低噪声放大器放大后送给光相位调制器PM。第二微环谐振器MR2用于调节第二微环120的谐振通带的谐振位置，使第二微环120的谐振通带的中心频率对准所需的光本振频率，从而对第三光分路器OC3送来的光信号进行滤波后输出光本振信号。所述第二微环谐振器MR2优选为下载型微环谐振器，其光场传输谱存在周期性的带通滤波，所述第二微环谐振器MR2包括形成于薄膜铌酸锂本底100上的微环输入波导121、微环输出波导122和第二微环120，所述微环输入波导121与第三光分路器OC3对应的输出端连接，所述微环输出波导122与第四光分路器OC4的输入端连接，所述第二微环120位于微环输入波导121和微环输出波导122之间，所述第二微环120上设置有第二控制电极123，所述第二控制电极123电连接有第二控制线(图中未示出)，用于通过第二控制线外接电控制信号。通过改变第二控制电极123外接的电控制信号的电压，可以改变第二微环120内传输的光信号的相位，进而改变第二微环120的通带的谐振位置；将该谐振通带的中心频率对准所需要的光本振信号的频率。
第四光分路器OC4优选为50:50的光分路器，用于将第二微环谐振器MR2输出的光本振信号等分为两路输出，分别送给光子变频单元用于光子上变频和光子下变频。
所述光子变频单元设有第一输入端口、第一输出端口、第二输入端口和第二输出端口，所述光子变频单元通过光子上变频将第一输入端口输入的中频信号变频为射频信号后从第一输出端口输出，以及通过光子下变频将第二输入端口输入的射频信号变频为中频信号后从第二输出端口输出。所述第二光分路器OC2的输入端通过铌酸锂光波导101与第一光分路器OC1的第一输出端连接，所述第二光分路器OC2的第一输出端通过铌酸锂光波导101与第一马赫-曾德型调制器MZM1的光输入端连接，第二输出端通过铌酸锂光波导101与第二马赫-曾德型调制器MZM2的光输入端连接；所述第一马赫-曾德型调制器MZM1和第二马赫-曾德型调制器MZM2均为双并联型马赫-曾德型调制器。所述第一马赫-曾德型调制器MZM1的电输入端通过微波传输线与第一输入端口连接，所述第一马赫-曾德型调制器MZM1的光输出端通过铌酸锂光波导101与第一光电平衡探测器BPD1的第一光输入端连接。所述第一光电平衡探测器BPD1的第二光输入端通过铌酸锂光波导101与第四光分路器OC4的第一输出端连接，所述第一光电平衡探测器BPD1的电输出端通过微波传输线与第一输出端口连接。所述第二马赫-曾德型调制器MZM2的电输入端通过微波传输线与第二输入端口连接，所述第二马赫-曾德型调制器MZM2的光输出端通过铌酸锂光波导101与第二光电平衡探测器BPD2的第一光输入端连接。所述第二光电平衡探测器BPD2的第二光输入端通过铌酸锂光波导101与第四光分路器OC4的第二输出端连接，所述第二光电平衡探测器BPD2的电输出端通过微波传输线与第二输出端口连接。
所述第二光分路器OC2优选为50:50的光分路器，用于将第一光分路器OC1送来的光载波等分为两路输出，一路送给第一马赫-曾德型调制器MZM1用于进行光子上变频前的光载波调制，另一路送给第二马赫-曾德型调制器MZM2用于进行光子下变频前的光载波调制。所述第一马赫-曾德型调制器MZM1用于通过第一输入端口输入的发中频信号对第二光分路器OC2送来的光载波进行载波抑制的双边带调制，并将得到的光调制信号送给第一光电平衡探测器BPD1。所述第一光电平衡探测器BPD1用于将第一马赫-曾德型调制器MZM1送来的光调制信号与第四光分路器OC4送来的光本振信号进行光拍频，得到微波射频信号并输出到第一输出端口。所述第二马赫-曾德型调制器MZM2用于通过第二输入端口输入的微波射频信号对第二光分路器OC2送来的光载波进行载波抑制的双边带调制，并将得到的光调制信号送给第二光电平衡探测器BPD2。所述第二光电平衡探测器BPD2用于将第二马赫-曾德型调制器MZM1送来的光调制信号与第四光分路器OC4送来的光本振信号进行光拍频，得到收中频信号并输出到第二输出端口。
本发明还公开了一种超宽带射频光子收发装置，如图3所示，本发明超宽带射频光子收发装置的一个优选实施例包括光子集成芯片、功率放大器PA、第一低噪声放大器LNA1、第二低噪声放大器LNA2、第三低噪声放大器LNA3、中频输入端口、发射天线端口、接收天线端口和中频输出端口。所述光子集成芯片的第一输入端口与中频输入端口电连接，所述光子集成芯片的第一输出端口通过功率放大器PA与发射天线端口电连接，所述光子集成芯片的第二输入端口通过第一低噪声放大器LNA1与接收天线端口电连接，所述光子集成芯片的第二输出端口通过第二低噪声放大器LNA2与中频输出端口电连接，所述光子集成芯片的第三输出端口通过第三低噪声放大器LNA3与其第三输入端口电连接。所述光子集成芯片、功率放大器PA、第一低噪声放大器LNA1、第二低噪声放大器LNA2和第三低噪声放大器LNA3优选为通过射频光子混合集成工艺集成于一陶瓷基板上。
所述第一低噪声放大器LNA1用于对输入的接收天线端口接收到的微弱微波信号放大至适当的功率后送给光子集成芯片的第二输入端口。所述第二低噪声放大器LNA2用于将光子集成芯片的第二输出端口送来的中频信号放大至适当的功率后输出至中频输出端口。第一低噪声放大器LNA1和第二低噪声放大器LNA2应该具备较低的噪声系数，并且其工作频段应该覆盖整个超宽带射频光子收发装置的工作频段。所述功率放大器PA用于将光子集成芯片的第一输出端口送来的微波信号进行放大后送给发射天线端口，以便于通过发射天线向外发射；应根据发射天线所需要覆盖的范围选择功率放大器PA的增益，功率放大器PA的工作频段应该覆盖整个超宽带射频光子收发装置的工作频段。所述第三低噪声放大器LNA3用于对光子集成芯片的第三输出端口输出的微波信号进行放大后再送回光子集成芯片的第三输入端口，第三低噪声放大器LNA3应具有低附加相噪的特性，并且其工作频段应该覆盖整个装置的工作频段。
本实施例的工作原理如下：
如图1至图5所示，激光光源LD输出的光载波(假设光载波的频率为T0)经第一光分路器OC1分为两路，分别送给光子变频单元和光本振产生单元。如图4和图5所示，在光本振产生单元，光相位调制器PM通过第三输入端口输入的微波信号对第一光分路器OC1送来的光载波的相位进行调制，产生相位互补(相差180度，反相)的上、下边带，之后送入第一微环谐振器MR1，由于第一微环谐振器MR1的光场透过特性为周期性的带阻滤波，通过特别设计第一微环110的直径，使其滤波周期远大于第三低噪声放大器LNA3的工作带宽，这样就能确保只有一个阻带落在上下白噪声边带之内。通过改变第一控制电极113外接的电控制信号的电压，可以改变第一微环110内传输光的相位，从而改变第一微环110的阻带的谐振位置。图4示意的列举了三个阻带(即T0+fLO1、T0+fLO2和T0+fLO3)的位置；从图4可知，如果阻带的中心频率为(T0+fLO)，该频点位置的上边带噪声被抑制，下边带(T0-fLO)频点处的噪声与载波拍频后，在电频谱上看会使fLO频点处的噪声最高，从而在fLO频点发生振荡激射，产生频率为fLO的微波信号；该信号也加载在了光载波上输出。如图5(a)所示，根据第三光分路器OC3的第一输出端(图1中A点)的光信号的光谱图可以看出，在光载波的光谱T0的两边分别产生了频率为(T0-fLO)的下边带和频率为(T0+fLO)的上边带。(T0-fLO)的下边带和(T0+fLO)的上边带光信号第三光分路器OC3分为两路，一路经高速探测器PD转换为微波信号后经第三输出端口输出，再经第三低噪声放大器LNA3放大后经第三输入端口输入，并送到光相位调制器PM的电输入端，从而通过光相位调制器PM、第一微环谐振器MR1、第三光分路器OC3、高速光电探测器PD通过第三输入端口、第三低噪声放大器LNA3和第三输出端口形成闭合振荡环路，构成了一个输出频率可调谐的光电振荡器。其工作原理如图4所示，第三低噪声放大器LNA3产生的噪声做为种子源在环路中振荡，由于各个频率的噪声间存在增益竞争；如果某个频点的噪声初始功率最高，那么最终在该频点将会发生振荡激射，从而产生频率与该频点相同的微波信号；并且由于MR1的高Q值储能特性，所产生的微波信号同时具有低相噪的特性。
第三光分路器OC3输出的另一路光信号送至第二微环谐振器MR2，经特别设计第二微环120的直径，使其滤波周期远大于第三低噪声放大器LNA3的工作带宽；通过改变第二控制电极123外接的电控制信号的电压，可以改变第二微环120内传输光的相位，进而改变第二微环120的通带的谐振位置；将该谐振通带的中心频率对准频率为(T0+fLO)的上边带，如图5(b)所示，从第二微环谐振器MR2的输出端(图1中B点)的光信号的光谱图可以看出，第二微环谐振器MR2能够滤除其他频率的光信号，仅保留频率为(T0+fLO)的光本振信号。频率为(T0+fLO)的光本振信号经第四光分路器OC4分为两路，分别送给第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2。
请继续参考图5，在光子变频单元，第一光分路器OC1送来的光载波经第二光分路器OC2分为两路，分别送给第一马赫-曾德型调制器MZM1和第二马赫-曾德型调制器MZM1的光输入端。在发射状态下，外部待发射的发中频信号IFin(假设发中频信号的频率为fIF)经超宽带射频光子收发装置的中频输入端口输入，并经光子变频单元的第一输入端口送至第一马赫-曾德型调制器MZM1的电输入端，第一马赫-曾德型调制器MZM1通过发中频信号IFin对光载波进行载波抑制的双边带调制，其光输出端(图1中C点)产生了频率为(T0+fIF)的上边带与频率为(T0-fIF)的下边带，其光谱如图5(c)所示。频率为(T0+fIF)的上边带与频率为(T0-fIF)的下边带被送到第一光电平衡探测器BPD1，并与光本振产生单元送来的频率为(T0+fLO)的光本振信号进行光子上变频，即频率为(T0+fLO)的光与频率为(T0±fIF)的光进行拍频，从而在其电输出端口(即图1中D点)得到频率为(fLO±fIF)的微波射频信号，其电频谱如图5(d)所示。另外，第一光电平衡探测器BPD1的平衡探测的过程可以消除输入光载波所带来的的共模噪声。频率为(fLO±fIF)的微波射频信号经光子变频单元的第一输出端口输出后送到功率放大器PA进行放大，之后送到发射天线端口，即可通过外接的发射天线向外发射。
在接收状态下，经低超宽带射频光子收发装置的接收天线端口送来的微弱的微波射频信号RFin(假设RFin的频率为fRF)经第一低噪声放大器LNA1放大后，从的光子变频单元的第二输入端口输入，并送至第二马赫-曾德型调制器MZM2的电输入端，第二马赫-曾德型调制器MZM2通过微波信号RFin对光载波进行载波抑制的双边带调制，其光输出端(图1中E点)产生了频率为(T0+fRF)的上边带与频率为(T0-fRF)的下边带，其光谱如图5(e)所示。频率为(T0+fRF)的上边带与频率为(T0-fRF)的下边带被送到第二光电平衡探测器BPD2，并与光本振产生单元送来的频率为(T0+fLO)的光本振信号进行光子下变频，即频率为(T0+fLO)的光与频率为(T0±fRF)的光进行拍频，从而在其电输出端口(即图1中F点)得到频率为(fLO±fRF)的收中频信号，其电频谱如图5(f)所示。另外，第二光电平衡探测器BPD2的平衡探测的过程可以消除输入光载波所带来的的共模噪声。频率为(fLO±fRF)的收中频信号经光子变频单元的第二输出端口输出后送到第二低噪声放大器LNA2进行放大，之后从中频输出端口输出，由后续的模块进行处理。
本实施例具有以下优点：
1)更宽的工作带宽
未来的卫星通信和6G通信需要收发端的工作频段覆盖更宽的频率范围；在现有的微波技术中，放大器已经可以做到超宽带的覆盖，但是，收发端所需要的变频器和本振等核心单元无法做到单一器件覆盖超宽的工作带宽。本实施例所提出的超宽带射频光子收发装置以光子技术为核心，在光域完成上下变频和本振的产生；由于通信用的光波频率一般为1014HZ的量级，卫星通信和6G通信所需要处理的信号频率一般在109Hz～1012Hz的范围内，与光波的频率相比，电信号变成了相对带宽小于1％的窄带信号；而对任何系统来说，处理窄带信号总会比处理宽带信号更容易；因此在光域上进行上下变频和本振产生的操作将会变得更加有利。本实施例中实现光电/电光转换的核心单元都具备覆盖109Hz～1012Hz范围的潜力，这样在本实施例所提出窄带处理的架构下，光子上下变频以及基于光电振荡环路产生光本振的过程均能够覆盖109Hz～1012Hz的范围；所以本实施例所提出的收发装置具备超宽工作带宽的优点。
2)工作频段灵活可切换
未来的卫星通信和6G通信的收发端除了具有超宽带工作的能力，还应该具备收发的载波频率灵活可切换的能力。本实施例所提出的收发装置利用光电振荡环路产生本振信号(即载波)，通过改变光电振荡环路中微环谐振器的控制电极所施加的电压，可以灵活的改变所产生的本振信号的频率，即实现载波频率的灵活切换；所以本实施例所提出的收发装置具备工作频段灵活可切换的优点。
3)更高的集成度
本实施例的射频光子收发装置只包含了4个射频芯片(即功率放大器PA、第一低噪声放大器LNA1、第二低噪声放大器LNA2和第三低噪声放大器LNA3)和1个光子集成芯片，通过采用多芯片微组装的工艺，可将光子集成芯片和射频芯片进行共基底的混合集成，从而使整个超宽带射频光子收发装置具备更高的集成度；从而更好的满足卫星通信地面终端及移动通信终端对集成度及空间尺寸的要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种光子集成芯片，用于超宽带射频光子收发装置，其特征在于，包括：
激光光源LD，用于产生光载波；
第一光分路器OC1，用于将激光光源LD产生的光载波分为两路，分别送给光子变频单元和光本振产生单元；
光本振产生单元，用于生成光子变频单元所需的光本振信号并送给光子变频单元；以及
光子变频单元，设有第一输入端口、第一输出端口、第二输入端口和第二输出端口，用于通过光子上变频将第一输入端口输入的中频信号变频为射频信号后从第一输出端口输出，以及通过光子下变频将第二输入端口输入的射频信号变频为中频信号后从第二输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的光子集成芯片，其特征在于，所述光本振产生单元包括：
光相位调制器PM，用于通过其电输入端输入的微波信号调制从第一光分路器OC1送来的输入光载波的相位，输出相位互补的上、下边带光信号给第一微环谐振器MR1；
第一微环谐振器MR1，用于通过调节其微环谐振阻带的谐振位置，使谐振阻带的中心频率对准所需频率对应的上边带频率，以滤除上、下边带光信号中所需频率的上边带信号；
第三光分路器OC3，用于将第一微环谐振器MR1输出的光信号分为两路输出，一路送入第二微环谐振器MR2，另一路送给高速光电探测器PD；
高速光电探测器PD，用于将光信号转换为微波信号从其电输出端输出；
第二微环谐振器MR2，用于调节其微环谐振通带的谐振位置，使谐振通带的中心频率对准所需的光本振信号的频率，从而对第三光分路器OC3送来的光信号进行滤波后输出光本振信号；
第四光分路器OC4，用于将第二微环谐振器MR2输出的光本振信号等分为两路输出，分别送给光子变频单元。
3.根据权利要求2所述的光子集成芯片，其特征在于，所述光子集成芯片的本底采用薄膜铌酸锂本底，所述激光光源LD、第一光分路器OC1、光子变频单元和光本振产生单元均集成在所述薄膜铌酸锂本底上；其中，所述第一光分路器OC1、第三光分路器OC3、第四光分路器OC4、第一微环谐振器MR1、第二微环谐振器MR2、光相位调制器PM均为直接在所述薄膜铌酸锂本底上制作形成，所述激光光源LD和高速光电探测器PD均倒装焊在薄膜铌酸锂本底上。
4.根据权利要求3所述的光子集成芯片，其特征在于，所述第一微环谐振器MR1为高Q值微环谐振器，用于对输入光进行高Q储能；所述第一微环谐振器MR1包括形成于薄膜铌酸锂本底上的直波导和第一微环，所述直波导的一端与光相位调制器PM的输出端连接，另一端与第三光分路器OC3输入端连接，所述第一微环位于直波导的一侧，所述第一微环上设置有第一控制电极，所述第一控制电极用于外接电控制信号。
5.根据权利要求3所述的光子集成芯片，其特征在于，所述第二微环谐振器MR2为下载型微环谐振器，其光场传输谱存在周期性的带通滤波，所述第二微环谐振器MR2包括形成于薄膜铌酸锂本底上的微环输入波导、微环输出波导和第二微环，所述微环输入波导与第三光分路器OC3对应的输出端连接，所述微环输出波导与第四光分路器OC4的输入端连接，所述第二微环位于微环输入波导和微环输出波导之间，所述第二微环上设置有第二控制电极，所述第二控制电极用于外接电控制信号。
6.根据权利要求2所述的光子集成芯片，其特征在于，所述光子集成芯片设置有第三输入端口和第三输出端口，所述高速光电探测器PD的电输出端通过微带线或金丝与第三输出端口连接，所述第三输出端口用于连接外部低噪声放大器的输入端；所述光相位调制器PM的电输入端通过微带线或金丝与第三输入端口连接，所述第三输入端口用于连接外部低噪声放大器的输出端。
7.根据权利要求2～6任一项所述的光子集成芯片，其特征在于，所述光子变频单元包括第二光分路器OC2、第一马赫-曾德型调制器MZM1、第二马赫-曾德型调制器MZM2、第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2
第二光分路器OC2，用于将第一光分路器OC1送来的光载波分为两路输出，分别送给第一马赫-曾德型调制器MZM1和第二马赫-曾德型调制器MZM2；
第一马赫-曾德型调制器MZM1，用于通过第一输入端口输入的中频信号对第二光分路器OC2送来的光载波进行载波抑制的双边带调制，并将得到的光调制信号送给第一光电平衡探测器BPD1；
第一光电平衡探测器BPD1，用于将第一马赫-曾德型调制器MZM1送来的光调制信号与第四光分路器OC4送来的光本振信号进行光拍频，得到射频信号并输出到第一输出端口；
第二马赫-曾德型调制器MZM2，用于通过第二输入端口输入的射频信号对第二光分路器OC2送来的光载波进行载波抑制的双边带调制，并将得到的光调制信号送给第二光电平衡探测器BPD2；
第二光电平衡探测器BPD2，用于将第二马赫-曾德型调制器MZM1送来的光调制信号与第四光分路器OC4送来的光本振信号进行光拍频，得到中频信号并输出到第二输出端口。
8.根据权利要求7所述的光子集成芯片，其特征在于，所述光子集成芯片的本底采用薄膜铌酸锂本底，所述光子变频单元的第二光分路器OC2、第一马赫-曾德型调制器MZM1和第二马赫-曾德型调制器MZM2均为直接在所述薄膜铌酸锂本底上制作形成，所述第一光电平衡探测器BPD1和第二光电平衡探测器BPD2均倒装焊在薄膜铌酸锂本底上。
9.一种超宽带射频光子收发装置，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的光子集成芯片，以及
第一低噪声放大器LNA1，用于对输入的微波信号进行放大后送给光子集成芯片的第二输入端口；
第二低噪声放大器LNA2，用于将光子集成芯片的第二输出端口送来的中频信号进行放大后输出；
功率放大器PA，用于将光子集成芯片的第一输出端口送来的微波信号进行放大后输出；和
第三低噪声放大器LNA3，用于对光子集成芯片的光本振产生单元输出的微波信号进行放大后再送回光子集成芯片的光本振产生单元。
10.根据权利要求9所述的超宽带射频光子收发装置，其特征在于，还包括陶瓷基板，所述光子集成芯片、功率放大器PA、第一低噪声放大器LNA1、第二低噪声放大器LNA2和第三低噪声放大器LNA3均基于射频光子混合集成工艺集成于所述陶瓷基板上。
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