幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法。该芯片可基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)和磷化铟(InP)半导体加工工艺制造而成。InP基半导体用来制备高功率激光器芯片，SOI基半导体用来制备硅基马赫增德尔调制器、锗硅探测器、光滤波器等光器件。InP基与SOI基芯片通过异构集成实现该混频器芯片的整体集成。通过调控调制器和光滤波器工作状态，实现混频信号的幅度和相位可调。由于该芯片基于CMOS硅光工艺，具有低功耗和低成本优势。除此之外，该混频器在光域实现了射频信号的混频，具有超宽带、抗电磁干扰等优势。因此可以用于超宽带无线通信和雷达系统。达系统。达系统。

【技术实现步骤摘要】
幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法，特别涉及两种不同材料平台的光子集成芯片。

技术介绍

[0002]微波混频器是被广泛应用到雷达、遥感、射频通讯收发等现代电子系统中重要的器件之一。在通信系统发射端，经过调制的微波信号需要经过混频器实现上变频再由天线发射；在通信系统的接收端，经过天线接收到的高频信号经混频器下变频，再经过信号处理器进行信号分析。传统的微波混频器是基于二极管或晶体管等电子器件实现。受限于带宽小、增益低、动态范围小、抗电磁干扰能力弱等缺点，无法实现高频宽带混频。而基于微波与光子技术结合的微波光子学可以有效解决以上问题。
[0003]相比于传统电混频器，微波光子混频器具有大带宽、低功耗、低损耗和抗电磁干扰等优点。目前，微波光子混频器大多基于分立的光器件搭建而成，例如使用将本振信号与射频信号合束后共同调制直调激光器，经外部光电探测器解调后产生中频信号。该方案结构简单，但受限于直调激光器带宽，其混频带宽较低。为了提高混频系统的工作带宽，可以基于外调制器的微波光子混频方案，本振信号与射频信号同时调制一个外部商用铌酸锂马赫增德尔调制器的一个调制臂或分别调制其两个调制臂，最后输出经外部光电探测器解调出中频信号。该方案虽然提升了混频器的工作带宽。除此之外，还可以通过级联、并联等多种调制器组合方式实现高性能微波光子混频器，但是由于分立光器件具有体积大、功耗高、稳定性和可靠性较差，因此不利于微波光子混频器的实用化和商业化，因此迫切需要微波光子混频器的小型化、集成化，同时降低功耗，提升其可靠性和稳定性。
[0004]目前，比较成熟的光子集成平台有SiN、InP和SOI (Silicon on Insulator)。SiN具有低损耗、高功率容限等优势，可以生产性能极佳的无源光器件，但是由于不能集成激光器、调制器和探测器等有源器件，因此不能基于该平台设计微波光子混频器。InP和SOI光子集成平台均可以集成调制器、探测器和光子无源器件，但是InP晶圆小、材料折射率差小，因而集成密度低。除此之外，InP光芯片的良率非常低，因此其生产成本非常高。而SOI由于具有CMOS兼容、材料折射率差大等优势，因此生产成本低，并且集成密度大，具有大规模量产的潜力，但是硅材料是间接带隙半导体，不能制备光源。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法。本专利技术结合InP和SOI半导体工艺的各自特点，该芯片的专利技术，不仅减小了传统微波光子混频器的体积，并且具备幅度相位调控的功能，打破传统微波光子混频器仅具备上下变频的功能，将大大减小无线通信、微波相控阵雷达等应用的系统体积，降低其系统复杂度，优化整体性能。
[0006]本专利技术的方案如下：
本专利技术首先提供了一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，所述混频器芯片包括InP光芯片和SOI(Silicon on Insulator)光芯片；所述InP光芯片上集成了激光器和与激光器相连的InP端面耦合器（InP
‑
based Edge Coupler，InP
‑
EC）；所述SOI光芯片上集成了硅基端面耦合器（Silicon
‑
based Edge Coupler，Si
‑
EC)、第一硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Silicon
‑
based Carrier
‑
depletion Mach
‑
Zehnder Modulator，Si
‑
MZM1）、第二硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Si
‑
MZM2）、可调光衰减器(Variable Optical attenuator, VOA)、第三热光移相器（Thermal
‑
Optic Phase Shifter，TOPS3）、用于光信号分束的1
×
2多模耦合干涉仪（Multimode Interferometer for Splliter，MMI_S）、用于光信号合束的1
×
2多模耦合干涉仪（Multimode Interferometer for Combiner，MMI_C)、第一光带通滤波器（Optical Bandpass Filter, OBF1）、第二光带通滤波器（OBF2）以及锗硅光电探测器（Germanium Photodetector，GePD）；其中，InP
‑
EC为InP光芯片的光信号输出端，Si
‑
EC为SOI光芯片的输入端，InP
‑
EC与Si
‑
EC耦合，Si
‑
EC与MMI_S相连，MMI_S将光信号分束并分别输入到Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2中，Si
‑
MZM1的输出端信号顺次经过OBF1、VOA 和TOPS3后连接MMI_C 的一个输入端，Si
‑
MZM1的输出端信号经过OBF2后连接MMI_C 的另一个输入端； MMI_C将输入的两路信号合束，MMI_C的输出端与GePD连接。
[0007]本专利技术还提供了一种基于所述幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片的控制方法，其包括如下步骤：1）InP光芯片上的激光器产生频率为f0的光信号，并经过InP
‑
EC耦合到SOI光芯片上的Si
‑
EC；光信号经MMI_S功分为两路，分别输入到Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2中；2）使Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2内的PN结移相器工作在PN结反向偏置区；分别调控Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2上的热光移相器，使Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2均工作在最小工作点；3）频率为f
LO
的本振信号调制Si
‑
MZM1；频率为f
RF
的射频信号调制Si
‑
MZM2；Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2分别实现载波抑制双边带调制；Si
‑
MZM1输出的边带信号频率为f0±
f
LO
，Si
‑
MZM2输出的边带信号频率为f0±ꢀ
f
RF
；4）通过调控OBF1和OBF2实现载波抑制单边带调制；通过调控VOA的驱动电压来调控Si
‑
MZM1光边带信号的功率，进而调控混频后信号的幅度；通过调控TOPS3上的驱动电压，进而调控Si
‑
MZM1与Si
‑
MZM2输出的边带信号之间的相位差，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，其特征在于，所述混频器芯片包括InP光芯片和SOI光芯片；所述InP光芯片上集成了激光器和与激光器相连的InP端面耦合器InP
‑
EC；所述SOI光芯片上集成了硅基端面耦合器Si
‑
EC、第一硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器Si
‑
MZM1、第二硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器Si
‑
MZM2、可调光衰减器VOA、第三热光移相器TOPS3、用于光信号分束的1
×
2多模耦合干涉仪MMI_S、用于光信号合束的1
×
2多模耦合干涉仪MMI_C、第一光带通滤波器OBF1、第二光带通滤波器OBF2以及锗硅光电探测器GePD；其中，InP
‑
EC为InP光芯片的光信号输出端，Si
‑
EC为SOI光芯片的输入端，InP
‑
EC与Si
‑
EC耦合，Si
‑
EC与MMI_S相连，MMI_S将光信号分束并分别输入到Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2中，Si
‑
MZM1的输出端信号顺次经过OBF1、VOA 和TOPS3后连接MMI_C 的一个输入端，Si
‑
MZM1的输出端信号经过OBF2后连接MMI_C 的另一个输入端； MMI_C将输入的两路信号合束，MMI_C的输出端与GePD连接。2.根据权利要求1所述的幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，其特征在于，所述的Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2的结构相同。3.根据权利要求1或2所述的幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，其特征在于，所述的Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2均包括两个1
×
2的多模耦合干涉仪、两个调制臂；其中，两个调制臂上各有一个PN结移相器，其中一个调制臂上还设有一个热光移相器；一个1
×
2的多模耦合干涉仪为输入端将信号分束后分别输入两个调制臂，两个调制臂的输出经另一个1
×
2的多模耦合干涉仪合束后输出。4.根据权利要求3所述的幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，其特征在于，所述Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2内的PN结移相器工作在PN结反向偏置区；通过调控Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2上的热光移相器，使Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2均工作在最小工作点。5.根据权利要求3所述的幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，其特征在于，频率为f
LO
的本振信号调制Si
‑
MZM1；频率为f
RF
的射频信号调制Si
‑
MZM2；Si
‑
MZM1输出的边带信号频率为f0±
f
LO
，Si
‑
MZM2输出的边带信号频率为f0±
f
RF
；所述OBF1和OBF2能够对Si
‑
MZM1和Si
‑
MZM2输出的双边带信号中的一个边带进行滤波。6.根据权利要求1所述的幅度相位可调的集成微...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，余辉，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：