基于硅基自耦合微环谐振腔的微波光子陷波装置

摘要

一种光纤通信技术领域的基于自耦合硅基微环谐振腔的微波光子陷波装置，包括：待处理信号发生模块、微波光子陷波模块和处理后信号反馈模块，其中：待处理信号发生模块产生待处理的光信号，并由微波光子陷波模块的输入端输入，微波光子陷波模块的输出端向处理后信号反馈模块输出处理后的信号。本发明可以克服处理速率和调节范围的限制，为实现动态宽带微波信号处理系统的滤波功能提供了一种解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及的是光纤通信技术领域，具体是一种基于硅基自耦合微环谐振腔的微波光子 陷波装置。

背景技术

在宽带接入网、相控阵雷达以及卫星通信系统中，实际微波信号的频谱成分中通常不仅 含有人们需要的频率成分，还有一些由本振泄露、边带泄露、导频信号和其他干扰信号所产生 的频率成分。为了提升微波信号的信噪比，通常需要在实际信号处理中将这些干扰频率成分滤 除或抑制，而实现该功能的器件就是微波陷波装置。而传统的电微波滤波器基于由电阻、电感 和电容构成的集成电路，其在处理速率和调节范围上受到限制，很难满足动态宽带微波信号处 理系统的需求。基于光处理器的微波光子信号处理技术可将信号处理过程转至光域实现，这能 够克服电域处理的带宽限制，从而使得一些很难或几乎不可能在电域微波信号处理中实现的功 能得以实现。同时，片上大规模集成正成为光处理器的发展趋势，而绝缘体上硅结构(SOI)为光 处理器的片上集成提供了一个良好的平台。基于硅基集成光子器件的微波光子陷波装置可以很 好地克服处理速率和调节范围的限制，为了实现动态宽带微波信号处理系统的滤波功能提供了 一种低成本小体积可大规模集成扩展的解决方案。

经过对现有技术的文献检索发现，2013年4月华中科技大学董建绩等人在IEEE  Photonics Journal第5卷2期发表的论文“Compact notch microwave photonic filters using  on‐chip integrated microring resonators”，提出了基于SOI微环谐振腔的微波光子陷波装置。 该微波光子陷波装置是通过级联两个硅基微环谐振腔实现的，缺点是只能够在特定频率实现滤 波。

中国专利文献CN104375242A，公开日2015.02.25，公开了一种基于嵌套子环对硅基微 环谐振腔的波长选择开关。其特点是该装置在硅基微环谐振腔的基础上，采用外环嵌套子环的 结构实现谐振模式的分裂，进而实现波长通道的开关控制。该结构模式只针对特定信号进行处 理反馈，不能满足动态宽带微波信号处理的需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于硅基自耦合微环谐振腔的微波光子 陷波装置，具有损耗低、灵活度高、抗电磁干扰等诸多优势特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：待处理信号发生模块、微波光子陷波模块和处理后信号反馈模块，其中： 待处理信号发生模块、微波光子陷波模块和处理后信号反馈模块依次串联连接；待处理信号发 生模块产生待处理的光信号，并由微波光子陷波模块的输入端输入，微波光子陷波模块的输出 端向处理后信号反馈模块输出处理后的信号。

所述的微波光子陷波模块包括基于Sagnac反射器结构模式的硅基微环谐振腔，具体是， 由硅基微环谐振腔顶弧和中部耦合器组成的Sagnac反射器及硅基微环谐振腔的底部环路；

所述的硅基微环谐振腔中同时存在沿相反方向传播的两个相互作用的模式，通过调节两 个相互作用的模式实现滤波中心波长的连续变化；

所述的调节两个相互作用的模式的方式是指：调整硅基微环谐振腔的中部耦合器的耦合 强度，改变两个相互作用模式分裂的程度，进而改变分裂谐振峰之间的距离，从而实现微波光 子陷波的滤波中心波长的连续变化。

所述的微波光子陷波模块的输入端口到输出端口的功率传输函数为：

其中：

F_s和R_s分别表示Sagnac反射器的透射端和反射端的传输函数：

其中：

t_i和κ_i(i＝1，2)分别表示两个耦合器的直通系数和耦合系数，a_s和a_r分别表示Sagnac反 射器和底部环路的传输，和分别表示Sagnac反射器和底部环路的相移。

所述的调整硅基微环谐振腔中部耦合器的强度通过调节连接于Sagnac反射器的微加热 器的直流电压改变温度来实现。

所述的基于Sagnac反射器结构模式的硅基微环谐振腔中部耦合器是干涉耦合器。

所述的待处理信号发生模块包括：可调谐激光器和电光调制单元，其中可调谐激光器产 生连续光载波且输出端口与电光调制单元的输出端口相连，电光调制单元将待处理RF输入信 号调制到连续光载波上，产生待处理信号。

所述的处理后信号反馈模块包括：光束分束器、频谱观测单元和网络分析单元，其中： 光束分束器的输入端与微波光子陷波模块的输出端通信，光束分束器的输出端分别于频谱观测 单元和网络分析单元相连，分别用于观测输出信号的频谱以及微波光子陷波装置的频率响应。

所述的网络分析单元包括：光电探测器和网络分析仪。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

本发明经过实验验证滤波中心波长的连续调节范围可达20GHz，同时抑制比超过25dB， 与现有技术相比具有较大的提升；

本发明基于SOI晶片制备的硅基集成光子原件，制备流程与CMOS工艺兼容，而成熟的 硅集成电路制造平台间有良好的兼容性，因此可实现硅基光子处理器件的大规模集成，是微波 光子信号处理中很有前景的技术方案。

附图说明

图1为实施例1中测试微波光子陷波模块频率响应的系统框图；

图2为基于硅基自耦合微环谐振腔的微波光子陷波装置的结构示意图；

图3为基于硅基自耦合微环谐振腔的微波光子陷波装置的归一化传输谱，其中：(a)为 输入端口到输出端口的归一化透射频谱，(b)为图1中中部耦合器不同耦合强度下，即t₂分别为 0.98、0.968、0.95、0.935时(a)中虚线框所示分裂谐振峰的归一化功率传输谱；

图4为实施例1中测试微波光子陷波模块频率响应的原理示意图，其中：(a)为器件工 作原理示意图，(b)为微波光子陷波模块频率响应；

图5为实施例1的系统测试装置图；

图6为实施例1中微加热器调整直流电压分别为0V、0.6V、1V、1.8V时器件的扫描频 谱；

图7中(a)为实施例1中微加热器调整直流电压分别为0V、0.6V、1V、1.8V时实测微波 光子陷波模块的频率响应，(b)为滤波中心波长与加热电压的关系图。

具体实施方式

下面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。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：待处理信号发生模块、微波光子陷波模块、处理后信号反 馈模块，其中：待处理信号发生模块产生待处理的光信号，并由微波光子陷波模块的输入端输 入，微波光子陷波模块的输出端向处理后信号反馈模块输出处理后的信号；

所述的微波光子陷波模块包括基于Sagnac反射器结构模式的硅基微环谐振腔，具体是， 由硅基微环谐振腔顶弧和中部耦合器组成的Sagnac反射器及硅基微环谐振腔的底部环路；

所述的硅基微环谐振腔中同时存在沿相反方向传播的两个相互作用的模式，通过调节两 个相互作用的模式实现滤波中心波长的连续变化。

所述的调节两个相互作用的模式的方式是指：调整硅基微环谐振腔的中部耦合器的耦合 强度，改变两个相互作用模式分裂的程度，进而改变分裂谐振峰之间的距离，从而实现微波光 子陷波的滤波中心波长的连续变化。

根据散射矩阵理论推导计算，可以得出图2输入端口到输出端口的功率传输函数为： 其中：

F_s和R_s分别表示Sagnac反射器的透射端和反射端的传输函数：

其中：

t_i和κ_i，i＝1，2分别是两个耦合器的直通系数和耦合系数，a_s和a_r分别表示Sagnac反 射器和底部环路的传输，和分别表示Sagnac反射器和底部环路的相移。通过改变中部耦 合器的耦合强度，可以改变模式分裂程度，进而改变分裂谐振峰之间的距离。在仿真中，将 Sagnac反射器和底部环路的长度分别设为70μm和63μm，t₁＝0.88，t₂＝0.968，n_g＝4.33以及 α＝4.5dB/cm，计算得出器件归一化功率输出谱，在图3(a)中可看到模式分裂后的双谐振峰；如 图3(b)所示，通过降低中部耦合器的直通系数t₂，即增强中部耦合器的的耦合强度，可看到分 裂谐振峰之间的距离在逐步增加。

如图1所示频率为f_RF的待处理RF输入信号首先经电光调制器调制到可调谐激光器产生 的连续光载波上，然后进入微波光子陷波模块进行光滤波，滤波后的光信号经过光电探测器检 测后转变为处理后的RF输出信号。图4(a)所示为本方案器件工作原理示意图。载波分量与两 个一次谐波分量间相距为f_RF，且两个一次谐波分量同相。如果上述调制产生的光信号直接经过 光电探测器检测，那么将产生频率为f_RF的RF信号。当上述调制产生的光信号通过硅基微环谐 振腔并使得光载波与分裂谐振峰的中心对准时，载波分量和两个一次谐波分量的幅度分别被硅 基微环谐振腔的滤波函数所加权，使得拍频得到的输出RF信号幅度随不同波长而改变。通过 扫描f_RF，可以得到图4(b)所示的微波光子滤波器频率响应，其中BN表示分裂谐振峰间的频谱 间距。从图中可以看到，当f_RF＝BN/2时，由于滤波后两个一次谐波分量幅值最低，输出RF信 号的透射率相应最低。

基于以上原理，针对基于自耦合微环谐振腔的微波光子陷波装置设计并演示了滤波中心 波长连续调节的测试来证明本发明的可行性：1)对于基于自耦合微环谐振腔的微波光子陷波 装置，调节微加热器的直流电压，观察各自的扫描频谱，当微加热器上所加入的直流电压分别 为0V、0.6V、1.0V和1.8V时，分裂谐振峰间的波长间隔相应为～0.40nm、～0.34nm、～0.27nm 和～0.10nm，对应的频率间隔分别为～50GHz、～42GHz、～34GHz和～13GHz。可以看到，所 加入的直流电压会引起扫描频谱的微小红移；2)调节微加热器上所加入的直流电压，观察网 络分析仪记录的基于自耦合微环谐振腔的微波光子陷波装置的频率响应曲线，当微加热器上所 加入的直流电压分别为0V、0.6V、1.0V和1.8V时，可观察到滤波响应曲线呈陷波形，滤波中 心波长的调节范围可达20GHz，最大抑制比超过25dB。上述实验结果证明了我们所提出的基 于自耦合微环谐振腔的微波光子陷波装置的有效性。