基于硅基环形谐振腔的光子可调宽带射频移相器

摘要

一种基于硅基环形谐振腔的光子可调宽带射频移相器，属于光通信技术领域。本发明包括：泵浦信号光发生系统、载波抑制光双边带产生系统，硅基环形谐振腔系统，以及测量系统。所述硅基环形谐振腔系统包括一个光耦合器和一个硅基环形谐振腔，光耦合器的输出连接到硅基环形谐振腔的输入端口，其中：硅基环形谐振腔由一个硅基微环和一根直波导构成，硅基微环和一根直波导之间的空气隙间隔为几十至几百纳米，硅基环形谐振腔频谱特征是周期性的带阻滤波特性，在谐振波长处的透射率等于0或非常接近0。本发明利用硅基环形谐振腔的非线性热效应，这种非线性热效应会使得谐振峰发生红移，导致探测信号的相位发生改变。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光通信技术领域的射频移相器，具体是一种基于硅基环形谐振腔的光子可调宽带射频移相器。

背景技术

射频移相器在射频相位阵列波束成形和电子战等领域具有重要的应用价值。传统的射频移相器主要采用开关线以及微波集成电路等技术，这些技术面临带宽和相移范围的瓶颈。因此利用成熟的光纤和其他光器件，将微波信号转换到光波领域进行处理是非常有吸引力的。利用光波技术对宽带射频信号进行相位控制，信号处理的速率快、带宽大、精度高、相移范围大，更重要的是器件的体积和重量与微波器件相比可以大大减小。另外，可控的光子射频移相器是光控相控阵的关键器件，它控制着天线的扫描方向，基本满足了相控阵天线中的移相器所应具有的以下要求：移相的数值精确、性能稳定、足够的频带和功率容量、便于快速控制，具有激励功率和插入损耗小、体积小重量轻等优点。因此，它是未来宽带快速移相器发展的方向，吸引了广大研究人员的关注。

经对现有技术的文献检索发现，西班牙的研究人员A.Loayssa等人发表在期刊《IEEE Photonics technology Letter》(《IEEE光技术快报》)2006年第18卷的文章“Broad-band RF photonic phase shifter based on stimulatedBrillouin scattering and single-sideband modulation(基于受激布利渊散射和单边带调制的宽带射频光子移相器)，”一文中，提及采用基于受激布利渊散射效应设计宽带射频光子移相器。但是这个方法需要采用多个分离的器件，结构复杂，插入损耗大。而且产生受激布利渊散射效应需要5.4公里长的光纤，因此难以集成化，限制了它的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于硅基环形谐振腔的光子可调宽带射频移相器，利用与单根直波导耦合的硅基微环的非线性热效应特点，在一定的泵浦功率注入到硅基微环的谐振腔时，泵浦的能量转化为热能，使得谐振腔的波长发生红移，从而可以灵活实现光调节射频信号的相移。该技术具有体积小，结构简单，成本有效、相移调节范围大、宽带操作，以及易于大规模集成的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：泵浦信号光发生系统、载波抑制光双边带产生系统、硅基环形谐振腔系统、以及测量系统。其中泵浦信号光发生系统和载波抑制光双边带产生系统的输出端与硅基环形谐振腔的输入端相连，硅基环形谐振腔的输出与测量系统的输入端相连。

所述的泵浦信号光发生系统包括第一可调激光器，高功率光放大器，可调光衰减器。其中：第一可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔的一个谐振峰，其输出端口与高功率光放大器的输入端相连；高功率光放大器的输出端口与可调光衰减器输入端口相连；可调光衰减器的输出端口连接到硅基环形谐振腔系统中光耦合器的一个输入端口。

所述高功率光放大器的最高输出功率可达到22-dB。

所述的载波抑制光双边带产生系统包括第二可调激光器、一个射频信号发生器、一个马赫曾德调制器、第一光放大器。其中：第二可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔的另一个谐振峰，该谐振峰的位置与泵浦信号光发生系统的谐振峰的位置最近。第二可调激光器输出端口与马赫曾德调制器的光输入端口相连。射频信号发生器的输出端口与马赫曾德调制器的射频输入端口相连，马赫曾德调制器偏置在传输曲线的最低点，得到载波抑制的光双边带信号。马赫曾德调制器的光输出端口连接到第一光发大器的输入端口。第一光放大器的输出端口连接到硅基环形谐振腔系统中光耦合器的另一个输入端口。

所述硅基环形谐振腔系统包括一个光耦合器和一个硅基环形谐振腔。光耦合器的输出连接到硅基环形谐振腔的输入端口。

所述硅基环形谐振腔由一个硅基微环和一根直波导构成，硅基微环和一根直波导之间的空气隙间隔为几十至几百纳米，硅基环形谐振腔频谱特征是周期性的带阻滤波特性，在谐振波长处的透射率等于0或非常接近0。

所述的测量系统包括第二光放大器、窄带可调光滤波器和示波器。其中硅基环形谐振腔的输出与第二光放大器的输入相连，第二光放大器的输出连接到可调光滤波器，窄带可调光滤波器的输出端口连接到示波器的输入端口进行检测。

所述的窄带可调光滤波器的3-dB带宽在0.3nm-2nm的范围内。

本发明的原理是利用硅基环形谐振腔的传输光谱和它的相位具有相关性的特点。它在整个自由光谱范围具有2π的相位差，且在谐振峰位置的相位是π。当功率较强的泵浦光注入到硅基环形谐振腔时，硅基环形谐振腔将吸收的光能转化为热能，产生非线性热效应。这种非线性热效应会使得谐振峰发生红移，导致信号的相位发生改变。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明使用的环形谐振腔结构简单，体积小，环的半径只有几微米至几十微分，而现有技术中使用多个分离的器件，体积大，而且需要5.4公里的光纤产生受激布利渊散射效应。另外，使用绝缘体上硅结构比现有技术中用光纤作材料，更易于大规模的光电集成。这是因为绝缘体上硅结构刻蚀等用到的工艺与成熟的超大规模集成电路的工艺完全兼容，而大规模集成的光电器件较分立器件能更节约成本。同时该技术得到的射频移相器具有相移调节范围大、宽带操作的优点，更适合于需要集成成千上万个移相器的相位阵列系统的应用中。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为硅基环形谐振腔器件结构图；

其中(a)为硅基环形谐振腔的俯视图，(b)为硅基微环的横截面示意图；

图3为本发明实施例装置图；

图4为本发明实施例测试结果图；

其中(a)为为测得的载波抑制光双边带信号的光谱，(b)为测得的没有发生相移的原始信号波形和发生最大相移后的信号波形，(c)为输入的泵浦功率变化时，所测得的相移变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：泵浦信号光发生系统、载波抑制光双边带产生系统，硅基环形谐振腔系统，以及测量系统。其中泵浦信号光发生系统和载波抑制光双边带产生系统的输出端与硅基环形谐振腔的输入相连，硅基环形谐振腔的输出与测量系统的输入端相连。

所述的泵浦信号光发生系统包括第一可调激光器、高功率光放大器、可调光衰减器。高功率光放大器的最高输出功率可达到22-dB。其中：第一可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔的一个谐振峰，其输出端口与高功率光放大器的输入端相连；高功率光放大器的输出端口与可调光衰减器输入端口相连；可调光衰减器的输出端口连接到硅基环形谐振腔系统中光耦合器的一个输入端口。

所述的载波抑制光双边带产生系统包括第二可调激光器、一个射频信号发生器、一个马赫曾德调制器、第一光放大器。其中：第二可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔的另一个谐振峰，该谐振峰的位置与泵浦信号光发生系统的该谐振峰的位置最近。其输出端口与马赫曾德调制器的光输入端口相连。射频信号发生器的输出端口与马赫曾德调制器的射频输入端口相连，马赫曾德调制器偏置在传输曲线的最低点，得到载波抑制的光双边带信号。马赫曾德调制器的光输出端口连接到第二光发大器的输入端口。第二光放大器的输出端口连接到硅基环形谐振腔系统中光耦合器的另一个输入端口。

所述硅基环形谐振腔系统包括一个光耦合器和一个硅基环形谐振腔。光耦合器的输出连接到硅基环形谐振腔的输入端口。

所述硅基环形谐振腔由一个硅基微环和一根直波导构成，硅基微环和一根直波导之间的空气隙间隔为几十至几百纳米，硅基环形谐振腔频谱特征是周期性的带阻滤波特性，在谐振波长处的透射率等于0或非常接近0。

所述的测量系统包括第二光放大器、窄带可调光滤波器和示波器。其中硅基环形谐振腔的输出与第二光放大器的输入相连，第二光放大器的输出连接到可调光滤波器。窄带可调光滤波器的输出端口连接到示波器的输入端口进行检测。窄带可调光滤波器的3-dB带宽在0.3nm-2nm的范围内。

如图2所示，图2(a)为硅基环形谐振腔的俯视图。硅基微环半径为20微米，微环和直波导宽都为250纳米，直波导和环之间的空气间隙为120纳米。图2(b)为硅基微环的横截面示意图。用来制作硅基微环的绝缘体上的硅结构最上方为250纳米厚的单晶硅，中间是3微米厚的二氧化硅缓冲层，最下面是450微米厚的硅衬底。

如图3所示，实施例在泵浦信号光发生系统支路，波长为1550.1nm的第一可调光源输出的光载波送给高功率光放大器，一个级联的第一可调衰减器用来调节输出的光功率，第一可调衰减器的输出经过第一偏振控制器，连接到光耦合器的一个输入端口。耦合器为50∶50的合路比。在载波抑制光双边带产生系统支路，波长约为1541.8nm的第二可调激光器输出的光载波送给马赫曾德调制器。射频信号发生器产生10-GHz的射频信号，驱动马赫曾德调制器，偏置电压约为6.4V，产生的频率间隔为20-GHz的载波抑制光双边带信号。马赫曾德调制器的输出经过第一光放大器放大后输入到0.3-nm带宽的第一窄带光滤波器虑掉自发受激辐射噪声，然后通过第二偏振控制器连接到光耦合器的另一个输入端口。耦合器的输出端口连接到硅基环形谐振腔后的输入端口。经过硅基环形谐振腔非线性热效应的处理后，从硅基环形谐振腔输出的信号进入测量系统支路。第二光放大器用来放大硅基环形谐振腔输出的信号，用带宽为0.3nm的第二窄带光滤波器分离出载波抑制光双边带产生系统输出的信号，然后用示波器记录其波形。在泵浦光功率为16dBm时，可以获得最大相移为4.6弧度。

如图4所示，为本发明实施例测试结果图。图3(a)为测得的载波抑制光双边带信号的光谱，从图中可以看出载波被抑制超过20dB，频率间隔为20GHz；图3(b)为测得的没有发生相移的原始信号波形和发生最大相移后的信号波形，从图上可以看出，信号经历了4.6弧度的最大相移，而且信号的形状没有发生失真。图3(c)为输入的泵浦功率变化时，所测得的相移变化曲线，从图中可以看出，再泵浦功率约为16dBm时候，可以获得最大相移为4.6弧度。