CN115567118A - 硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片、系统及方法 - Google Patents

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CN115567118A CN202211165574.5A CN202211165574A CN115567118A CN 115567118 A CN115567118 A CN 115567118A CN 202211165574 A CN202211165574 A CN 202211165574A CN 115567118 A CN115567118 A CN 115567118A
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Abstract

本发明提供了一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片、系统及方法，包括硅光芯片；所述硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组，且分别对不同组的梳齿进行调制。本发明提出一种交错选择片上电光梳产生的多波长信号，并驱动不同谐振波长微环调制器阵列的多功能硅基芯片设计，芯片输出信号连接光电探测器和太赫兹天线阵列，从而实现了多通道大容量的光子太赫兹信号的产生，芯片级的系统尺寸小，可扩展性强。

Description

硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片、系统及方法
技术领域
本发明涉及光子太赫兹通信的技术领域，具体地，涉及一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片、系统及方法。
背景技术
随着物联网、虚拟现实、自动驾驶等概念的兴起，无线数据流量也经历了前所未有的增长，因此，处于0.1-10THz频段的电磁波受到了业内的广泛关注。基于光学外差法产生太赫兹信号的方案有其独有的优势，利用可调谐激光器可以很容易配置不同频率的太赫兹信号，此外，结合光通信中的波分复用器件，可以完成多通道大容量的无线信号传输。光子太赫兹通信系统发射端是由使用许多不同种类的光子元件形成的，目前分立器件用于此通信系统的方案已经得到了实现。然而，为了在日常生活中批量使用，这些光学元件需要被整合以减少系统尺寸和能源消耗，同时低损耗的光纤用以驱动发射端芯片，构成未来光纤-无线的核心架构。
公开号为CN104503023A的中国发明专利文献公开了一种基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片，该芯片包括：单纵模激光器单元、多模干涉器模式复用器组合单元、调制器阵列和光波导单元，其中：单纵模激光器单元用于产生基模光信号；多模干涉器模式复用器组合单元用于将单纵模激光器单元产生的基模光信号转化为基模信号和高阶模信号；光波导单元用于将基模信号和高阶模信号传输至调制器阵列；调制器阵列包括多个调制器，分别对于接收到的基模信号和高阶模信号并进行。
针对上述中的现有技术，发明人认为现有太赫兹系统存在尺寸大、可扩展性弱等不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片、系统及方法。
根据本发明提供的一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，包括硅光芯片；
所述硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿进行分组，且分别对不同组的梳齿进行调制。
优选的，所述硅光芯片包括双驱动马赫曾德尔调制器、解复用模块和多组调制器组件；
成组的梳齿与调制器组件一一对应设置；
所述双驱动马赫曾德尔调制器通过控制双臂上射频信号的幅值、相位和直流偏压调制出预定带宽和预定幅值的电光梳；
所述解复用模块控制加载直流信号，从电光梳中交错选择出频率差为发射太赫兹信号的频率的多根梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组；
所述调制器组件对对应的成组的梳齿进行调制。
优选的，成组的梳齿内的梳齿个数为2个；
所述调制器组件包括电调微环调制器和电调相移器；
所述电调微环调制器对一个梳齿进行调制；
所述电调相移器对另一个梳齿进行调制。
优选的，该硅光芯片还包括微波源；
所述微波源结合双驱动马赫曾德尔调制器产生频率间距为微波源频率的等间距电光梳。
优选的，该硅光芯片还包括多个合束器；
所述调制器组件对成组的梳齿内的梳齿分别进行调制；
所述合束器与调制器组件一一对应设置；
所述合束器对对应的调制器组件调制后的信号进行合束。
根据本发明提供的一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，包括硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片；
该系统还包括激光器、多个光电探测器和多个发射太赫兹天线；
成组的梳齿、光电探测器和发射太赫兹天线一一对应设置，且光电探测器和发射太赫兹天线组合设置；
所述激光器驱动硅光芯片产生电光梳；
所述光电探测器将调制后的信号转化为电信号；
所述发射太赫兹天线将电信号转换为太赫兹无线信号。
优选的，该系统还包括多个掺铒光纤放大器和多个波形成形器；
所述掺铒光纤放大器、波形成形器和光电探测器一一对应设置；
所述掺铒光纤放大器对合束后的信号进行放大；
所述波形成形器对合束后的信号进行滤除噪声。
优选的，该系统还包括任意波长发生器，
所述任意波形发生器为电调微环调制器提供射频电信号，射频电信号通过改变光波导内的光强完成调制信号的加载。
优选的，该系统还包括多个接收太赫兹天线、多个检波器和多个示波器；
所述接收太赫兹天线、检波器、示波器和发射太赫兹天线一一对应设置，且接收太赫兹天线和检波器组合设置；
所述接收太赫兹天线接收太赫兹无线信号；
所述检波器将接收的太赫兹无线信号转化为基带信号；
所述示波器采集基带信号。
根据本发明提供的一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端方法，应用硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，包括如下步骤：
步骤S1：激光器驱动硅光芯片；
步骤S2：硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组，且分别对不同组的梳齿进行调制；
步骤S3：光电探测器将调制后的信号转化为电信号；
步骤S4：发射太赫兹天线将电信号转换为太赫兹无线信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出一种交错选择片上电光梳产生的多波长信号，并驱动不同谐振波长微环调制器阵列的多功能硅基芯片设计，芯片输出信号连接光电探测器和太赫兹天线阵列，从而实现了多通道大容量的光子太赫兹信号的产生，芯片级的系统尺寸小，可扩展性强；
2、本发明将微环调制器的工作点配置到不同频率上，并且利用微环调制器的窄带特性可以保证通道间相互独立，多路太赫兹调制模块串扰小，功耗低；
3、本发明结合片上电光梳实现光到太赫兹频段的频率复用，结合调制器的选频特性便于实现不同通道频率的可调谐性，可方便配置任意太赫兹频率的数据传输。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的原理框图；
图2为双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)的输出等间隔光频率梳光谱图；
图3为本系统的仿真结果图；
图4为本发明实际实验的系统框图；
图5为本发明的芯片的显微照片；
图6为热调微环的输出谱线测试结果图；
图7为单通道80G载频不同传输速率下的输出误码率曲线图；
图8为分别使用电光梳与自由运行激光器在此系统下的性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例公开了一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，如图1和图4所示，包括硅光芯片。硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿分为1组或多组，且分别对不同组的梳齿进行调制。成组梳齿内的梳齿个数为2个。一组内两根梳齿的选择原则应当使它们的功率尽可能相近，所以应当在电光梳功率平坦的范围内进行选择，平坦的含义是电光梳相邻梳齿功率差低于3dB的频率范围。一组梳齿频率的选择应当在这个平坦范围内两两由外向内选择，即电光梳可用范围的最左与最右对应频率的梳齿为一组，下一组的两根梳齿频率为朝靠近彼此的方向分别递进一个梳齿间距。可以根据需要的梳齿组数对梳齿输出个数进行控制。
硅光芯片包括微波源(fRF)、双驱动马赫曾德尔调制器、解复用模块(微环滤波器，也称热调微环)和多组调制器组件、多个合束器(多模干涉器)；成组的梳齿、合束器与调制器组件一一对应设置。
双驱动马赫曾德尔调制器通过控制双臂上射频信号的幅值、相位和直流偏压调制出预定带宽和预定幅值的电光梳。微波源结合双驱动马赫曾德尔调制器产生频率间距为微波源频率的等间距电光梳。即双驱动马赫曾德尔调制器的双臂加载相位和幅度不同的射频信号，通过调节双驱动马赫曾德尔调制器上两臂的直流偏压差获得平坦的光频率梳。微波源驱动片上双驱动马赫曾德尔调制器产生频率间距为微波源频率的等间距电光梳。微波源输出射频信号的幅值与相位会影响电光梳的输出性能，通过直接控制微波源改变输出射频信号的幅值，使用外部相位控制器控制微波源输出信号的相位。
解复用模块控制加载直流信号，从电光梳中交错选择出频率差为发射太赫兹信号的频率的多根梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组。
调制器组件对对应的成组的梳齿进行调制，且调制器组件对成组的梳齿内的梳齿分别进行调制。调制器组件包括电调微环调制器和电调相移器。电调微环调制器对一个梳齿进行调制；电调相移器对另一个梳齿进行调制。
合束器对对应的调制器组件调制后的信号进行合束。
本发明实施例还公开了一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，包括硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片、激光器、偏振控制器、任意波长发生器、多个掺铒光纤放大器、多个波形成形器、多个光电探测器、多个发射太赫兹天线、多个接收太赫兹天线、多个检波器和多个示波器。
成组的梳齿、掺铒光纤放大器、波形成形器、光电探测器、发射太赫兹天线、接收太赫兹天线、检波器和示波器一一对应设置，且光电探测器和发射太赫兹天线组合设置，接收太赫兹天线和检波器组合设置。
激光器驱动硅光芯片产生电光梳。偏振控制器控制光纤中光的偏振态，使得经过偏振敏感的硅光芯片的输出功率达到最佳效果。
任意波形发生器为电调微环调制器提供伪随机二进制(PRBS)射频电信号，射频电信号通过改变光波导内的光强完成调制信号的加载。任意波形发生器将NRZ或PAM4信号加载在电调微环调制器上。
任意波形发生器为相移器提供能改变光波导内相位的射频信号，即任意波形发生器对相移器的作用是提供调制电信号。
光电探测器将调制后的信号转化为电信号。发射太赫兹天线将电信号转换为太赫兹无线信号(电磁波信号)。即芯片的输出连接光电探测器，并通过太赫兹天线辐射出去。
掺铒光纤放大器对合束后的信号进行放大。在系统运行过程中，会产生插损，插损由掺铒光纤放大器(EDFA)补偿。
波形成形器对合束后的信号进行滤除带外噪声。
接收太赫兹天线接收太赫兹无线信号。
检波器将接收的太赫兹无线信号转化为基带信号。
示波器采集基带信号。
本发明用1550nm波段的激光器驱动硅基片上电光梳，电光梳的梳齿间距由射频信号的频率决定，之后按照确定好的发射频率交错选择梳齿，每两根梳齿为一组，频率差为发射太赫兹信号的不同载频的频率，不同组的梳齿用来驱动片上调制器阵列的每一个调制器(microring modulator，MRM)，微环阵列对应一组光电探测器(photodetector，PD)和太赫兹天线的组合阵列，从而实现并行多通道多载频的太赫兹发射系统。
本发明涉及的硅基芯片上的具体光学元件包括：双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)、半径为40μm的热调微环、半径为5μm的电调微环调制器。系统实现的具体技术细节包括：
通过控制DD-MZM双臂上射频信号的幅值、相位和直流偏压(DC bias)，从而调制出要求带宽和幅值平坦的电光梳，插损由掺铒光纤放大器(EDFA)补偿。
通过控制加载在40μm热调微环上的直流信号从而交错选择出频率差为发射太赫兹信号的频率的两根梳齿。
任意波形发生器(arbitatry waveform generator，AWG)将NRZ(Non-Return-to-Zero，不归零码)或PAM4(4-Level Pulse Amplitude Modulation，四电平脉冲幅度调制)信号加载在半径为5μm的电调微环调制器上，芯片的输出连接光电探测器，并通过太赫兹天线辐射出去。
如图1所示，本发明可以实现多通道并行的太赫兹无线信号发射，每个通道彼此独立且所用器件相同，单通道的传输实验系统搭建如图4，实验设备依次需要：1550nm的激光器、硅光芯片、掺铒光纤放大器(EDFA)、波形成形器(waveshaper)、光电探测器(PD)、任意波长发生器(AWG)，其中硅光芯片上包含的光学元件有：双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)、热调微环、电调微环、电调相移器，图5中展示了芯片版图和输入输出光纤与芯片耦合的分布图。
激光器通过耦合光纤驱动硅光芯片，其中双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)的两个臂加载相位和幅度不同的射频信号，通过调节DD-MZM上两臂的直流偏压差获得平坦的光频率梳，梳齿间距由射频信号的频率决定。仿真中选择射频频率16GHz，结果如图2左边a部分，梳齿间高度差控制在3dB内，实际测量的电光梳光谱图如图2右边b部分。本系统的仿真结果如图3，图3左边a部分和图3右边b部分分别为检波前后的NRZ信号及其眼图。图2左边a部分为仿真输出的光频率梳；图2右边b部分为实验输出的差频16GHz的光频率梳。图3左边a部分代表检波前后的NRZ信号；图3右边b部分代表检波后的眼图。
经实验测试，半径40μm的热调微环3dB带宽为6GHz，FSR为283GHz，如图6所示，可以满足本系统滤波器的需求。通过控制热调微环的直流偏置滤波出光频率梳中的两根梳齿，两根梳齿的频率差满足光电探测器和太赫兹发射天线的工作频带，一根梳齿被电调微环调制器调制，另一根接入电调相移器的一端，用以探究相位对整个系统性能的影响。两路信号经合束器合波并从芯片输出端连接到高速的光电探测器上，探测器经太赫兹天线辐射出去。输出端为同样的太赫兹天线和包络检波器，检波器输出连接实时示波器(DSO)，用以直接对接收到的电磁波信号进行解调和误码率测试。
实际实验中经线性均衡器对接收波形进行处理并测试整个系统的误码率，在不同传输速率下的误码率结果如图7，图中的眼图为经过线性均衡器后的模拟眼图。图8探究了相位相关性对本系统传输性能影响，在同等条件下如图8a所示，使用基于DD-MZM的电光梳和光滤波器相比两台自由运行激光器具有更低的误码率，并且如图8右边b部分所示描述了不同光源下接收波形采样点的起伏分布，可以从正态分布曲线的对比中看出前者具有更好的噪声平坦度。图8左边a部分为不同输入光功率下的误码率曲线；图8右边b部分为噪声浮动大小的分布比例。
本发明是一种实现了电光梳、波长选择和调制功能的集成光子太赫兹发射芯片系统。本发明完整系统包括的器件包括：激光器、硅光芯片、微波源、任意波形发生器、掺铒光纤放大器、光电探测器、太赫兹天线、包络检波器和实时示波器。
系统发射端的光路从输入到输出分别为：激光器用于产生C波段单频光通过入芯光纤驱动硅光芯片，其中硅光芯片上包含的光学元件有：双驱动马赫曾德尔调制器、多模干涉器、热调微环和电调微环。双驱动马赫曾德尔调制器结合微波源产生等间距的光梳信号，多模干涉器将两路热调微环合束，用来选出光梳信号中频率间隔为所用太赫兹波段的两根梳齿，对应选频后的光信号驱动电调微环调制器完成相应的多通道并行数据传输功能。芯片的输出通过垂直光栅和耦出光纤与掺铒光纤放大器连接，芯片的输出光信号被放大器放大后与高速光电探测器连接并输出转换后的电信号。
整个系统的电路主要包括四部分：1.微波源驱动片上双驱动马赫曾德尔调制器产生频率间距为微波源频率的等间距电光梳；2.任意波形发生器为硅光芯片提供PRBS射频电信号，电信号通过改变光波导内的光强完成调制信号的加载；3.高速光电探测器输出的电信号经太赫兹天线转化为电磁波发射；4.接收端太赫兹天线接收电磁波并结合包络检波器将射频信号下变频到基带，基带波形被实时示波器采集后进行数字信号处理。
本发明实施例还提供了一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端方法，应用硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，包括如下步骤：
步骤S1：激光器驱动硅光芯片。
步骤S2：硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组，且分别对不同组的梳齿进行调制。
步骤S3：光电探测器将调制后的信号转化为电信号。
步骤S4：发射太赫兹天线将电信号转换为太赫兹无线信号。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，其特征在于，包括硅光芯片；
所述硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿进行分组，且分别对不同组的梳齿进行调制。
2.根据权利要求1所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，其特征在于，所述硅光芯片包括双驱动马赫曾德尔调制器、解复用模块和多组调制器组件；
成组的梳齿与调制器组件一一对应设置；
所述双驱动马赫曾德尔调制器通过控制双臂上射频信号的幅值、相位和直流偏压调制出预定带宽和预定幅值的电光梳；
所述解复用模块控制加载直流信号，从电光梳中交错选择出频率差为发射太赫兹信号的频率的多根梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组；
所述调制器组件对对应的成组的梳齿进行调制。
3.根据权利要求2所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，其特征在于，成组的梳齿内的梳齿个数为2个；
所述调制器组件包括电调微环调制器和电调相移器；
所述电调微环调制器对一个梳齿进行调制；
所述电调相移器对另一个梳齿进行调制。
4.根据权利要求2所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，其特征在于，该硅光芯片还包括微波源；
所述微波源结合双驱动马赫曾德尔调制器产生频率间距为微波源频率的等间距电光梳。
5.根据权利要求2所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片，其特征在于，该硅光芯片还包括多个合束器；
所述调制器组件对成组的梳齿内的梳齿分别进行调制；
所述合束器与调制器组件一一对应设置；
所述合束器对对应的调制器组件调制后的信号进行合束。
6.一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端芯片；
该系统还包括激光器、多个光电探测器和多个发射太赫兹天线；
成组的梳齿、光电探测器和发射太赫兹天线一一对应设置，且光电探测器和发射太赫兹天线组合设置；
所述激光器驱动硅光芯片产生电光梳；
所述光电探测器将调制后的信号转化为电信号；
所述发射太赫兹天线将电信号转换为太赫兹无线信号。
7.根据权利要求6所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，其特征在于，该系统还包括多个掺铒光纤放大器和多个波形成形器；
所述掺铒光纤放大器、波形成形器和光电探测器一一对应设置；
所述掺铒光纤放大器对合束后的信号进行放大；
所述波形成形器对合束后的信号进行滤除噪声。
8.根据权利要求6所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，其特征在于，该系统还包括任意波长发生器，
所述任意波形发生器为电调微环调制器提供射频电信号，射频电信号通过改变光波导内的光强完成调制信号的加载。
9.根据权利要求6所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，其特征在于，该系统还包括多个接收太赫兹天线、多个检波器和多个示波器；
所述接收太赫兹天线、检波器、示波器和发射太赫兹天线一一对应设置，且接收太赫兹天线和检波器组合设置；
所述接收太赫兹天线接收太赫兹无线信号；
所述检波器将接收的太赫兹无线信号转化为基带信号；
所述示波器采集基带信号。
10.一种硅基光子太赫兹无线通信发射前端方法，其特征在于，应用权利要求6所述的硅基光子太赫兹无线通信发射前端系统，包括如下步骤：
步骤S1：激光器驱动硅光芯片；
步骤S2：硅光芯片产生电光梳，按照预定发射频率交错选择电光梳的梳齿，按照预定条件将梳齿分为多组，且分别对不同组的梳齿进行调制；
步骤S3：光电探测器将调制后的信号转化为电信号；
步骤S4：发射太赫兹天线将电信号转换为太赫兹无线信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116846479A (zh) * 2023-09-04 2023-10-03 中山大学 一种基于通信算法的双光频梳生成系统及方法
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