微波光子宽带移相方法及微波光子宽带移相芯片

摘要

本发明公开了一种微波光子宽带移相方法。该方法首先将光载波等分为两路；然后用反相但其余参数相同的两路微波信号分别对所述两路光载波进行相位调制，得到两路相位调制光信号；为所述两路相位调制光信号引入π/2的相位差后，用耦合比可调的光耦合器将其耦合为一路；用光滤波器滤除耦合后光信号中的其中一侧一阶边带后对其进行光电探测，得到移相后微波信号，并通过调节所述光耦合器的耦合比实现移相后微波信号的相位在大范围内的连续调节。本发明还公开了一种微波光子宽带移相芯片。本发明采用两个相位调制器来实现光子辅助的微波相移，其结构更为简单，更易于实现系统的片上集成,进而减小装置体积、提高系统稳定性并且大幅降低制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波光子宽带移相方法及微波光子宽带移相芯片。

背景技术

微波移相器作为信号处理和相控阵雷达系统中的关键器件，在卫星通信、移动通信、军事和航空航天等领域具有重要的作用。传统的微波移相器主要采用电子移相器，但由于其频段带宽小、抗干扰性能差和移相范围有限等局限，已经不能满足高性能雷达中的迫切需求。而基于微波光子技术的微波光子移相器具有频带宽、抗电磁干扰强、重量轻和体积小等优势，成为了各国研究热点。

微波光子移相器从技术原理角度划分主要有光学真延时技术、外插混频技术和矢量和技术。基于光学真延时技术的微波光子移相器出现最早，但是其结构需要由多个延时单元组成，而相位的调节相对较为复杂。基于外插混频的微波光子移相器基于两路干涉光的相位差实现，由于两路干涉光路容易引入由环境因素引起的随机相位噪声，造成微波光子移相的稳定性欠佳。基于矢量和技术的微波光子移相器研究主要通过改变两路同频微波信号的振幅来实现矢量合成后的微波信号的相移，但是存在可控相移范围小、输出微波幅度波动大等问题。

为了解决以上问题，研究者进一步提出了几种不同方案。例如，浙江大学报道了一种微波光子移相器(Zheng X,Wang Y,Lu C,et al.AMicrowave Photonic Phase ShifterBased on Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator Modulation Sideband Filtering[J].Acta Optica Sinica,2012,32(12):61–65.)，该方案基于双平行马赫-曾德尔调制器实现，一路马赫-曾德尔调制器上实现光载波抑制的双边带调至输出，另一路马赫-曾德尔调制器上通过调节偏置电压实现相位调制，两路光信号经干涉合路后滤波实现单边带调制，通过调节相位调制的偏置电压实现对微波信号相移的调节。南京航空航天大学报道了一种微波光子宽带移相器(Pan S,ZhangY.Tunable andwidebandmicrowavephotonicphaseshifter based on a single-sideband polarization modulator and a polarizer[J].Optics Letters,2012,37(21):4483-5.)，该方案基于单边带调制的偏振调制器和检偏器实现，通过调制检偏器的检偏角度实现宽带范围内的微波信号相移的调节。然而，以上方案都是基于分立器件实现，导致系统复杂，体积大。如果要在以上方案基础上实现移相器的片上集成，则由于其中的双平行马赫增德尔调制器和偏振调制器结构较为复杂，实现难度较高，这在很大程度上制约了以上系统方案的集成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子宽带移相方法及芯片，便于将系统中的光组件集成到同一块芯片上，从而减小装置体积、提高系统稳定性并且大幅降低制造成本。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子宽带移相方法，首先将光载波等分为两路；然后用反相但其余参数相同的两路微波信号分别对所述两路光载波进行相位调制，得到两路相位调制光信号；为所述两路相位调制光信号引入π/2的相位差后，用耦合比可调的光耦合器将其耦合为一路；用光滤波器滤除耦合后光信号中的其中一侧一阶边带后对其进行光电探测，得到移相后微波信号，并通过调节所述光耦合器的耦合比实现移相后微波信号的相位在大范围内的连续调节。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种微波光子宽带移相芯片，该芯片上集成有以下光组件：

半导体激光器，用于生成光载波；

1×2光耦合器，用于将半导体激光器生成的光载波等分为两路；

两个相位调制器，用于用反相但其余参数相同的两路微波信号分别对所述两路光载波进行相位调制，得到两路相位调制光信号；

光移相器，用于为所述两路相位调制光信号引入π/2的相位差；

2×1光耦合器，其耦合比可调，用于将引入π/2的相位差后的两路相位调制光信号耦合为一路；

光滤波器，用于滤除耦合后光信号中的其中一侧一阶边带；

光电探测器，用于对光滤波器输出的光信号进行光电探测，得到移相后微波信号。

优选地，所述1×2光耦合器为多模干涉结构，或为y分支结构，或为定向耦合器结构。

优选地，所述光移相器为热光移相器、电光移相器或PN结型光移相器。

优选地，所述2×1光耦合器为由2×2光耦合器、光移相器、2x1光耦合器所构成的马赫-曾德尔干涉型结构。

优选地，所述光滤波器为微环谐振腔结构或布拉格光栅结构。

优选地，所述半导体激光器为分布式反馈激光器。

优选地，所述反相但其余参数相同的两路微波信号通过单驱动推挽行波电极加载同一个微波信号来实现。

优选地，除半导体激光器以外的各光组件通过硅基光子集成方法集成于同一芯片，且半导体激光器通过异质集成的方式集成于该芯片。或者，各光组件通过磷化铟基光子集成方法集成于同一芯片。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明采用两个相位调制器来实现光子辅助的微波相移，与现有采用偏振调制器和双平行马赫曾德尔调制器的技术路线相比，其结构更为简单，更易于实现系统的片上集成,进而减小装置体积、提高系统稳定性并且大幅降低制造成本。

附图说明

图1为本发明微波光子宽带移相芯片一个优选实施例的结构原理示意图；其中，1为半导体激光器，2为光波导，3为1×2光耦合器，4、6均为相位调制器，5为光移相器，7为2×1光耦合器，8为光滤波器，9为光电探测器；

图2为图1微波光子宽带移相芯片移相过程的原理示意图。

具体实施方式

针对现有微波光子宽带移相解决方案难以实现片上集成的不足，本发明的思路是采用两个相位调制器来实现光子辅助的微波相移，其结构更为简单，更易于实现系统的片上集成,进而减小装置体积、提高系统稳定性并且大幅降低制造成本。

本发明的微波光子宽带移相方法具体如下：首先将光载波等分为两路；然后用反相但其余参数相同的两路微波信号分别对所述两路光载波进行相位调制，得到两路相位调制光信号；为所述两路相位调制光信号引入π/2的相位差后，用耦合比可调的光耦合器将其耦合为一路；用光滤波器滤除耦合后光信号中的其中一侧一阶边带后对其进行光电探测，得到移相后微波信号，并通过调节所述光耦合器的耦合比实现移相后微波信号的相位在大范围内的连续调节。

本发明的微波光子宽带移相芯片，在芯片上集成有以下光组件：

半导体激光器，用于生成光载波；

1×2光耦合器，用于将半导体激光器生成的光载波等分为两路；

两个相位调制器，用于用反相但其余参数相同的两路微波信号分别对所述两路光载波进行相位调制，得到两路相位调制光信号；

光移相器，用于为所述两路相位调制光信号引入π/2的相位差；

2×1光耦合器，其耦合比可调，用于将引入π/2的相位差后的两路相位调制光信号耦合为一路；

光滤波器，用于滤除耦合后光信号中的其中一侧一阶边带；

光电探测器，用于对光滤波器输出的光信号进行光电探测，得到移相后微波信号。

从更便于进行片上集成角度考虑，

优选地，所述1×2光耦合器为多模干涉结构，或为y分支结构，或为定向耦合器结构。

优选地，所述光移相器为热光移相器、电光移相器或PN结型光移相器。

优选地，所述2×1光耦合器为由2×2光耦合器、光移相器、2x1光耦合器所构成的马赫-曾德尔干涉型结构。

优选地，所述光滤波器为微环谐振腔结构或布拉格光栅结构。

优选地，所述半导体激光器为分布式反馈(DFB)激光器。

优选地，所述反相但其余参数相同的两路微波信号通过单驱动推挽行波电极加载同一个微波信号来实现。

可采用现有的微波光子集成技术进行光组件的集成，例如，可通过硅基光子集成方法将除半导体激光器以外的各光组件集成于同一芯片，并通过异质集成的方式将半导体激光器集成于该芯片。或者，通过磷化铟基光子集成方法将各光组件集成于同一芯片。

为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明技术方案进行进一步详细说明：

如图1所示，本实施例的微波光子宽带移相芯片采用片上集成技术(例如硅基光子集成方法、磷化铟基光子集成方法、异质集成方法等)将所有光组件集成在同一芯片上，具体地，该芯片上集成有以下光子组件：半导体激光器1、1x2光耦合器3、相位调制器4、光移相器5、相位调制器6、2x1光耦合器7(其耦合比可调)、光滤波器8、光电探测器9；各光子组件间通过光波导2连接；半导体激光器1的输出端连接1x2光耦合器的输入端，1x2光耦合器的上路输出端连接相位调制器4的光输入端，相位调制器4的输出端连接光移相器5的输入端，光移相器5的输出端连接2x1光耦合器的上路输入端，1x2光耦合器的下路输出端连接相位调制器6的输入端，相位调制器6的输出端连接2x1光耦合器的下路输入端，2x1光耦合器的输出端连接光滤波器8的输入端，光滤波器8的输出端连接光电探测器9的输入端。

假设本实施例中的半导体激光器1采用分布式反馈(DFB)半导体激光器结构，通过异质集成的方式(例如键合)集成在芯片上，其发出1550nm波段单纵模光载波f_c。光载波可以表示为：

E_in＝Aexpj(2πf_ct)

其中，A为光载波幅度。

如图2所示，1×2光耦合器3将光载波分成相等功率的两路，上路输入相位调制器4，下路输入相位调制器6。该1x2光耦合器可以采用但不限于多模干涉结构、y分支结构、定向耦合器结构。1×2光耦合器3的输出信号可以表示为：

在相位调制器4中，单频信号expi(2πf_mt)被调制到一路光载波f_c上，而在相位调制器6中，反相的单频信号-expi(2πf_mt)被调制到另一路光载波f_c上:

其中，γ是调制器的调制深度。

在小信号调制下，输出的调制光信号仅含有光载波f_c、正1阶边带f_c+f_m和负1阶边带f_c-f_m：

其中，J_n(γ)是n阶贝塞尔函数的系数。

在光移相器5中，通过调节光移相器5的驱动电流，使得输入的光信号发生相移，则输出信号可以表示为：

光移相器5可以采用热光移相器、电光移相器和PN结型光移相器等，从而改变光信号的相位。

2x1光耦合器7的上路输入端口与光移相器5的输出端口相连，2x1光耦合器7的下路输入端口与相位调制器6的输出端口相连。本实施例中的2x1光耦合器采用由2x2光耦合器、光移相器和2x1光耦合器所构成的马赫-增德尔干涉型结构,通过调节马赫-增德尔干涉型结构中的光移相器的驱动电流，使得该2x1光耦合器的耦合比可以改变。2x1光耦合器7的输出信号可以表示为：

其中，sinα、cosα分别是该2x1光耦合器的上路耦合效率和下路耦合效率。

在光滤波器8中，通过调节半导体激光器1的波长，使得输入光信号的正1阶边带f_c+f_m在光滤波器8的阻带中，光载波f_c和负1阶边带f_c-f_m在光滤波器8的通带中，这样，输出光信号仅含有光载波和负1阶边带(也可用光滤波器滤除正1阶边带)。光滤波器8的输出端口的信号可以表示为：

光电探测器9的输入端口与光滤波器8的输出端口相连。该光电探测器的工作带宽大于f_m。光信号在该光电探测器中的拍频响应可以表示为：

调节光移相器5的驱动电流使得光信号的相移此时光信号在光电探测器9的拍频响应变为：

I∝2J₀(γ)J_-1(γ)sin(2πf_mt+2α)

通过调节2x1光耦合器的耦合比sinα：cosα实现α在[0，π]范围内的连续调节，则光电探测器的拍频信号的相位可以实现在[0，2π]范围内的连续调节。