基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法技术

本公开提供一种基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法，该基于光子集成芯片的多功能信号源包括：光子集成芯片、光反馈环路、光电振荡环路以及任意波形发生器；其中该光子集成芯片包括：放大反馈激光器和探测器。本公开提供的基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法，在光子集成芯片上，探测器在芯片上将放大反馈激光器产生的高质量光载微波信号、啁啾激光信号和宽带混沌信号直接转换成电域信号输出，将光电振荡器系统中所需的有源光子器件集成在同一芯片上，具有结构紧凑、稳定性好、便于封装以及进一步降低成本等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法
本公开涉及微波光子信号产生
，尤其涉及一种基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法。
技术介绍
频率可调谐、低相噪的高质量微波信号，大时间带宽积的啁啾微波信号和宽带混沌信号在雷达系统、卫星通信系统以及现代遥感测量系统中都有重要应用。目前，高频微波信号主要通过将晶体振荡频率倍频获得，虽然晶体振荡能够得到高质量的微波信号(在1kHz频偏处的相位噪声低于-140dBc/Hz)，但是晶体振荡的基频频率往往低于百MHz，要获得高频微波信号，需要多次倍频，而频率倍频提高N倍，相位噪声恶化通过晶体振荡倍频很难获得低相噪的高频微波信号。而光电振荡器所产生微波信号的相位噪声与振荡频率无关，利用光电振荡器能获得相位噪声极低的高频微波信号。啁啾微波信号一般基于电子学的方法产生，然而受限于电子学瓶颈，很难得到大带宽(＞10GHz)的宽带啁啾微波信号，基于光子学的方法在带宽和调谐新能方面具有很大的优势。而宽带混沌光信号主要基于光反馈方法产生，单模自反馈注入获得混沌信号的带宽往往较低(小于20GHz)，而采用光外差注入能获得带宽较大的混沌激光信号，但是系统需要两只激光器，结构复杂。在实际应用中，频率可调的微波信号，啁啾微波信号和宽带混沌信号需要利用不同的系统产生，系统成本昂贵，亟需一种多功能信号源能产生上述三种信号。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法，以缓解现有技术中的频率可调的微波信号，啁啾微波信号和宽带混沌信号需要利用不同的系统产生，系统成本昂贵的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供一种基于光子集成芯片的多功能信号源，用于输出频率可调的微波信号、啁啾微波信号以及混沌信号，包括：光子集成芯片、光反馈环路、光电振荡环路以及任意波形发生器；该光子集成芯片包括：放大反馈激光器以及探测器，放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时输出频率可调的微波光信号和啁啾微波光信号，其工作在宽带混沌状态时输出混沌光信号；探测器接收所述放大反馈激光器输出的光信号，并转换为对应的电信号；光反馈环路用于将所述放大反馈激光器发射的光信号反馈回所述放大反馈激光器，使其工作在窄线宽双模状态或者宽带混沌状态；光电振荡环路用于将探测器转化的电信号经放大后输出，以及当放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时，将放大后的电信号调制在所述放大反馈激光器上；任意波形发生器与所述放大反馈激光器连接，用于在所述放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时，提供随时间变化的电信号。在本公开的一些实施例中，所述放大反馈激光器分为：分布反馈式激光器区、相位调节区以及放大反馈区；分布反馈式激光器区与所述探测器连接；相位调节区与所述分布反馈式激光器区连接；放大反馈区与所述相位调节区连接，并与所述任意波形发生器连接；其中，所述任意波形发生器与所述放大反馈区连接，所述相位调节区和所述放大反馈区构成集成反馈腔，使所述放大反馈区工作在双模状态和混沌状态，且其双模间距随所述放大反馈区的注入电流增加而增加。在本公开的一些实施例中，所述光反馈环路沿光信号传输方向依次包括：三端口环形器、单模光纤、光耦合器、光可调衰减器以及偏振控制器；三端口环形器与所述放大反馈区连接，用于接收所述放大反馈区激射的双模光信号，并将接收到的光信号传回所述放大反馈区，保证光信号单行传输；单模光纤与所述三端口环形器连接，用于提高所述光反馈环路的Q值；光耦合器与所述单模光纤连接，用于接收所述单模光纤输出的光信号，并按预设的光功率分配比值将光信号分为两部分，部分光信号送入光可调衰减器，部分光信号输出；光可调衰减器与所述光耦合器连接，用于调节注入回所述放大反馈区的光功率，使所述放大反馈区工作在窄线宽双模状态或宽带混沌状态；偏振控制器与所述光可调衰减器和所述三端口环形器连接，用于调节接收的光信号的偏振态，使其与所述放大反馈区激射光的偏振态匹配。在本公开的一些实施例中，所述光反馈环路沿光信号传输方向依次包括：光隔离器、单模光纤、光耦合器、光可调衰减器以及偏振控制器；光隔离器与所述放大反馈区连接，其避免所述探测器的出射光反馈至所述放大反馈区；单模光纤与所述光隔离器连接，用于提高所述光反馈环路的Q值；光耦合器与所述单模光纤连接，用于接收所述单模光纤输出的光信号，并按预设的光功率分配比值将光信号分为两部分，部分光功率送入光可调衰减器，部分光功率输出；光可调衰减器与所述光耦合器连接，用于调节注入回所述放大反馈区的光功率，使所述放大反馈区工作在窄线宽双模状态或宽带混沌状态；偏振控制器与所述光可调衰减器和所述探测器连接，用于调节接收的光信号的偏振态，使其与所述放大反馈区激射光的偏振态匹配。在本公开的一些实施例中，所述单模光纤的长度介于10米至10千米之间。在本公开的一些实施例中，所述光耦合器预设的光功率分配比值为99：1；其中，99％的光功率送入所述光可调衰减器，1％的光功率输出。在本公开的一些实施例中，1％的所述光功率输出至光谱仪中进行测试。在本公开的一些实施例中，所述光电振荡环路沿电信号传输方向依次包括：微波放大器、微波功分器以及开关；微波放大器与所述探测器连接，用于接收所述探测器转化光信号产生的电信号，并将其按照预设的放大倍数进行放大；微波功分器与所述微波放大器相连，用于接收微波放大器放大后的电信号，并按照预设功率分配比值分配电功率，部分电信号送入所述分布反馈式激光器区，部分电信号输出；开关设置于所述微波功分器和所述分布反馈式激光器区之间，用于开通和关断调制在所述分布反馈式激光器区的调制信号。在本公开的一些实施例中，所述探测器的材料结构包括：单行载流子探测器材料结构、PIN型材料结构或有源多量子阱材料结构。根据本公开的另一个方面，还提供一种基于光子集成芯片的多功能信号源的操作方法，用于操作本公开提供的基于光子集成芯片的多功能信号源，包括：在放大反馈激光器的各个区域加上合适的偏置电流，并调节光可调衰减器，压缩放大反馈激光器的线宽，使其工作在窄线宽双模状态，闭合开关，形成光电振荡环路，同时通过调节放大反馈区的注入电流，从而通过光电振荡环路输出频率可调的微波信号；在放大反馈激光器的各个区域加上合适的偏置电流，并调节光可调衰减器，压缩放大反馈激光器的线宽，使其工作在窄线宽双模状态，闭合开关，形成光电振荡环路，并打开任意波形发生器，在放大反馈区施加随时间变化的电信号，使双模光信号的模式间距随所施加的电信号变化，产生啁啾激光信号，从而通过光电振荡环路输出啁啾微波信号；在放大反馈激光器的各个区域加上合适的偏置电流，断开开关，并调节光可调衰减器，使放大反馈激光器工作在宽带混沌状态，产生混沌光信号，从而输出混沌信号。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于光子集成芯片的多功能信号源及操作方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：(1)在光反馈环路作用下，当放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时：接通光电反馈环路可以使系统作为光电振荡器，通过调节放大反馈区的注入电流可以产生频率可调谐的高质量光载微波信号；通过打开任意波形发生器在放大反馈激光器上施加随时间变化的电信号可以得到啁啾激光器信号；(2)在光反馈环路作用下，当放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光子集成芯片的多功能信号源，用于输出频率可调的微波信号、啁啾微波信号以及混沌信号，包括：光子集成芯片，包括：放大反馈激光器，其工作在窄线宽双模状态时输出频率可调的微波光信号和啁啾微波光信号，其工作在宽带混沌状态时输出混沌光信号；探测器，其接收所述放大反馈激光器输出的光信号，并转换为对应的电信号；光反馈环路，用于将所述放大反馈激光器发射的光信号反馈回所述放大反馈激光器，使其工作在窄线宽双模状态或者宽带混沌状态；光电振荡环路，用于将探测器转化的电信号经放大后输出，以及当放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时，将放大后的电信号调制在所述放大反馈激光器上；以及任意波形发生器，与所述放大反馈激光器连接，用于在所述放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时，提供随时间变化的电信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子集成芯片的多功能信号源，用于输出频率可调的微波信号、啁啾微波信号以及混沌信号，包括：光子集成芯片，包括：放大反馈激光器，其工作在窄线宽双模状态时输出频率可调的微波光信号和啁啾微波光信号，其工作在宽带混沌状态时输出混沌光信号；探测器，其接收所述放大反馈激光器输出的光信号，并转换为对应的电信号；光反馈环路，用于将所述放大反馈激光器发射的光信号反馈回所述放大反馈激光器，使其工作在窄线宽双模状态或者宽带混沌状态；光电振荡环路，用于将探测器转化的电信号经放大后输出，以及当放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时，将放大后的电信号调制在所述放大反馈激光器上；以及任意波形发生器，与所述放大反馈激光器连接，用于在所述放大反馈激光器工作在窄线宽双模状态时，提供随时间变化的电信号。2.根据权利要求1所述的基于光子集成芯片的多功能信号源，所述放大反馈激光器分为：分布反馈式激光器区，与所述探测器连接；相位调节区，与所述分布反馈式激光器区连接；以及放大反馈区，与所述相位调节区连接，并与所述任意波形发生器连接；其中，所述任意波形发生器与所述放大反馈区连接，所述相位调节区和所述放大反馈区构成集成反馈腔，使所述放大反馈区工作在双模状态和混沌状态，且其双模间距随所述放大反馈区的注入电流增加而增加。3.根据权利要求2所述的基于光子集成芯片的多功能信号源，所述光反馈环路沿光信号传输方向依次包括：三端口环形器，与所述放大反馈区连接，用于接收所述放大反馈区激射的双模光信号，并将接收到的光信号传回所述放大反馈区，保证光信号单行传输；单模光纤，与所述三端口环形器连接，用于提高所述光反馈环路的Q值；光耦合器，与所述单模光纤连接，用于接收所述单模光纤输出的光信号，并按预设的光功率分配比值将光信号分为两部分，部分光信号送入光可调衰减器，部分光信号输出；光可调衰减器，与所述光耦合器连接，用于调节注入回所述放大反馈区的光功率，使所述放大反馈区工作在窄线宽双模状态或宽带混沌状态；偏振控制器，与所述光可调衰减器和所述三端口环形器连接，用于调节接收的光信号的偏振态，使其与所述放大反馈区激射光的偏振态匹配。4.根据权利要求2所述的基于光子集成芯片的多功能信号源，所述光反馈环路沿光信号传输方向依次包括：光隔离器，与所述放大反馈区连接，其避免所述探测器的出射光反馈至所述放大反馈区；单模光纤，与所述光隔离器连接，用于提高所述光反馈环路的Q值；光耦合器，与所述单模光纤连接，用于接收所述单模光纤输出的光信号，并按预设的光功率分配比值...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈光灿，赵玲娟，陆丹，赵武，王欢，齐合飞，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11