硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统，通过在硅基光子芯片上集成高速电光调制器、高速光移相器、微盘滤波器、高速光电探测器等光电器件，将稳相传输系统集成化、芯片化，缩小系统体积的同时也降低了功耗、节约了成本；采用滤波性能更好的前置、后置微盘滤波器以及相应的连接波导，构成微波光子移相器，实现对射频信号的主动相位补偿。在本地发送端设置PID控制器，远处接收端设置Sagnac环，构成稳相传输系统的闭环反馈控制回路，实现射频信号的稳相传输。实现射频信号的稳相传输。实现射频信号的稳相传输。

【技术实现步骤摘要】
硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统


[0001]本专利技术涉及集成光电子学
，具体涉及一种硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统。

技术介绍

[0002]随着雷达系统、深空探测网络、甚长基线干涉测量(VLBI)等先进科学
的快速发展，高精度、低损耗、大区域射频信号稳相传输成为了支撑相关研究领域创新和取得突破的关键技术。相比于传统的电缆传输、无线传输等方法，基于光纤的射频信号稳相传输技术具有大带宽、低损耗、高可靠性、抗电磁干扰等显著优势，成为了最具潜力的技术解决范式。光纤射频传输面临的关键问题是光纤的传输延时易受温度、应变、振动等环境因素影响，从而导致传输后信号的延时和相位不稳定。因此，补偿光纤链路中传输信号的相位抖动，是实现高精度射频信号稳相传输的关键。
[0003]目前，射频信号稳相传输技术主要包含被动式稳相传输技术和主动式稳相传输技术。被动式稳相传输技术基于相位共轭原理，通过在电域或者光域实现信号混频，消除由于环境扰动带来的信号相位抖动。该方法简单易行，无需构成反馈回路，但是信号混频过程中会造成信号噪声叠加，从而降低传输信号的短期稳定性。主动式稳相传输技术基于往返相位校正原理，利用压控振荡器、光/电延迟线、微波移相器等主动补偿器件，通过构建反馈控制回路，实现对射频信号相位抖动的主动补偿。主动式稳相传输技术作为经典的稳相手段，其技术原理简单，具有较高的相位抖动补偿精度，并且可实现宽带射频信号的稳相传输，因此引起了学术界和产业界的广泛关注。
[0004]目前，现有的射频信号稳相传输系统均基于离散光电器件封装实现，因此存在体积大、成本高、功耗高、结构复杂等问题。近年来，随着光子集成技术的快速发展，集成化、芯片化成为了射频信号稳相传输技术发展的必然趋势。通过利用现代高精细光子集成技术实现多个关键光电器件的系统集成，有望显著减小射频信号稳相传输系统的尺寸、降低成本和功耗、提高系统的稳定性。目前，硅基光子平台是最有前景的光电集成平台之一，它具有独特而均衡的优势：硅基光子工艺与现有CMOS平台兼容，因此存在光电混合单片集成的潜在优势；硅与二氧化硅存在大折射率差，保证硅波导器件传输性能优异和结构紧凑；硅基光子系统全要素可集成度高，目前已经证实了除高性能激光源以外的高速电光调制器、高速光电探测器、光耦合器、光反射镜、光滤波器等多种关键集成光电器件，这些高性能的硅基集成光电器件为射频信号稳相传输系统的小型化和芯片化提供了可能。然而，目前基于硅基集成光电器件的芯片化射频信号稳相传输系统尚未被报道。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统，将稳相传输系统集成化、芯片化，采用由前置微盘滤波器、高速光移相器、后置微盘滤波器组成的微波光子移相器对光载波的相位调节，实现对射频信号的主动相位补偿，与传
统的光纤延迟线相位补偿相比，其响应速度更快，精度更高。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：
[0007]一种硅基集成射频信号稳相传输系统的发送端芯片，包括：第一光栅耦合器、高速电光调制器、第一1
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2光分束器、第二光栅耦合器、第一高速光电探测器和微波光子移相器；
[0008]微波光子移相器包括前置微盘滤波器、高速光移相器、后置微盘滤波器；
[0009]第一光栅耦合器与高速电光调制器的光输入端口连接；高速电光调制器的输出端与前置微盘滤波器的input端连接；前置微盘滤波器的drop端通过波导与高速光移相器的输入端相连，后置微盘滤波器的add端通过波导与高速光移相器的输出端相连；前置微盘滤波器的through端与后置微盘滤波器的input端通过波导连接；
[0010]第一1
×
2光分束器的三个端口分别与后置微盘滤波器的through端、第二光栅耦合器的一端和第一高速光电探测器的输入端连接。
[0011]进一步地，高速电光调制器将芯片外部输入的光信号调制为单边带调制光信号，并输出单边带调制光信号通过前置微盘滤波器，完成单边带调制光信号的光载波与一阶边带的分离；高速光移相器根据外部相位误差信号对所述光载波产生移相量，对光载波进行相位调节，获得移相后的光载波，移相后的光载波与一阶边带通过后置微盘滤波器进行合束，得到移相后的单边带调制光信号。
[0012]进一步地，高速光移相器为脊型波导结构，脊型波导包括电光调制区和热光调制区；
[0013]电光调制区采用离子注入形式在脊波导中形成侧向PN结；热光调制区为在脊型波导区域上方覆盖金属加热电极。
[0014]一种硅基集成射频信号稳相传输系统的本地发送端，包括激光器、射频信号合成器、射频功分器、射频鉴相器和PID控制器以及发送端芯片；
[0015]激光器产生的光信号由第一光栅耦合器耦合入射至发送端芯片；
[0016]射频信号合成器产生的射频信号由射频功分器分成两路，一路注入到高速电光调制器的电输入接口，另一路通过射频传输线注入到射频鉴相器的LO输入端；射频鉴相器的RF输入端与第一高速光电探测器输出端连接，接收带有相位抖动的射频信号；
[0017]射频鉴相器的输出端连接PID控制器，PID控制器的输出端与高速光移相器的电极连接。
[0018]一种硅基集成高精度射频信号稳相传输系统，包括远处接收端和本地发送端；本地发送端与远处接收端通过传输光纤连接；
[0019]本地发送端用于将射频信号调制为单边带调制光信号并发射至远处接收端，同时接收从远处接收端反射的带有相位抖动的单边带调制光信号，将其解调为射频信号后进行鉴相，得到相位误差信号，经PID控制后用于反馈控制微波光子移相器移相量，完成射频信号的主动相位补偿；
[0020]远处接收端用于接收本地发送端的发射的单边带调制光信号并进行解调，得到射频信号，并将单边带调制光信号反射回本地发送端。
[0021]进一步地，远处接收端包括接收端芯片，接收端芯片包括第三光栅耦合器第二1
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2光分束器、Sagnac环和第二高速光电探测器；
[0022]本地发送端发射的单边带调制光信号被第二1
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2光分束器分成两路，一路被Sagnac环反射，经过传输光纤返回本地发送端，另一路进入第二高速光电探测器，通过光电转换，输出相位稳定的射频信号。
[0023]有益效果：
[0024](1)一种硅基集成的高精度射频信号稳相传输系统，通过在单个硅基光子芯片即上集成高速电光调制器、高速光移相器、微盘滤波器、高速光电探测器等光电器件，作为发送端芯片，将稳相传输系统集成化、芯片化，缩小系统体积的同时也降低了功耗、节约了成本；采用微波光子移相器对光载波的相位调节，在光域实现对射频信号的主动相位补偿，同时与传统的光纤延迟线相位补偿相比，其响应速度更快，精度更高。
[0025](2)高速光移相器为脊型波导结构，通过在脊型波导不同区域设置PN结和微纳金属加热电级，从而能够结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基集成射频信号稳相传输系统的发送端芯片，其特征在于，包括：第一光栅耦合器(2)、高速电光调制器(3)、第一1
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2光分束器(10)、第二光栅耦合器(11)、第一高速光电探测器(12)和微波光子移相器；所述微波光子移相器包括前置微盘滤波器(7)、高速光移相器(8)、后置微盘滤波器(9)；所述第一光栅耦合器(2)与高速电光调制器(3)的光输入端口连接；所述高速电光调制器(3)的输出端与所述前置微盘滤波器(7)的input端连接；所述前置微盘滤波器(7)的drop端通过波导与高速光移相器(8)的输入端相连，后置微盘滤波器(9)的add端通过波导与高速光移相器(8)的输出端相连；前置微盘滤波器(7)的through端与后置微盘滤波器(9)的input端通过波导连接；所述第一1
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2光分束器(10)的三个端口分别与后置微盘滤波器(9)的through端、第二光栅耦合器(11)的一端和第一高速光电探测器(12)的输入端连接。2.如权利要求1所述的发送端芯片，其特征在于，所述高速电光调制器(3)将芯片外部输入的光信号调制为单边带调制光信号，并输出单边带调制光信号通过前置微盘滤波器(7)，完成单边带调制光信号的光载波与一阶边带的分离；高速光移相器(8)根据外部相位误差信号对所述光载波产生移相量，对所述光载波进行相位调节，获得移相后的光载波，所述移相后的光载波与一阶边带通过后置微盘滤波器(9)进行合束，得到移相后的单边带调制光信号。3.如权利要求1所述的发送端芯片，其特征在于，所述高速光移相器(8)为脊型波导结构，所述脊型波导包括电光调制区和热光调制区；所述电光调制区采用离子注入形式在脊波导中形成侧向PN结；所述热光调制区为在脊型波导区域上方覆盖金属加热电极。4.一种硅基集成射频信号稳相传输系统的本地发送端，其特征在于，包括激光器(1)、射频信号合成器(4)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟锋，王彬，周朗，郑爽，刘泉华，曾涛，龙腾，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：