基于硅基集成微波光子接收处理芯片制造技术

一种硅基集成微波光子前端接收处理芯片，包含马赫曾德强度调制器、交错梳状滤波器、相位调制器、可重构带通滤波器、光延迟线和平衡光电探测器。其中可重构带通滤波器由光开关、基于硅波导受激布里渊散射效应的高精细滤波器及微环耦合马赫曾德宽带滤波器构成。通过光开关选择，可以实现对不同频段高精细或宽带滤波。本发明专利技术可实现微波光子前端信号接收，包括跨波段、可调谐微波光子信号处理，微波光子宽带下变频，微波光子本振频率综合和相移控制，具有尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性好等优点，能在微波光子前端信号处理中发挥关键作用，具有重要的实际应用价值。

Integrated Microwave Photon Receiving and Processing Chip Based on Silicon

【技术实现步骤摘要】
基于硅基集成微波光子接收处理芯片
本专利技术属于光信号处理领域，特别是一种基于硅基集成微波光子接收处理芯片。
技术介绍
随着5G移动互联网逐步走向应用，下一代移动互联网对微波前端提出了更高的要求，一种可实现多波段、可重构的微波前端成为科研工作者的研究目标。然而，由于1GHz波段和20～60GHz波段使用的电子元件截然不同，因此很难实现跨波段的可调谐与可重构的微波信号处理，这使得处理频率范围从1GHz到几十GHz的微波信号变得相当困难。上世纪九十年代，为了突破传统微波
的瓶颈，一种将传统微波技术和新兴光子技术结合的新技术逐渐形成，人们称之为微波光子技术。微波光子技术是在光域上处理微波信号的前沿技术，它的出现为解决微波前端的技术难题提供了新的思路：在常用的光通信波段1550nm处，光信号0.8nm的带宽约为100GHz，这足以覆盖全部微波波段，从而让实现全波段可调谐微波光子信号处理变为可能。另外，光域上可以实现超低损耗的延时，这有利于微波信号的相参处理。因此，基于微波光子技术，微波光子前端可以实现宽带、多波段可调谐与可重构的信号处理，使得微波光子前端在下一代移动互联网、软件无线电等方面有着十分重要的应用前景。然而，目前的研究方案大多由分立器件实现，器件尺寸大，功耗高，导致其与实际应用仍有较大的距离。于是，研究具有小尺寸、高稳定性和低成本的集成微波光子系统是微波光子技术的发展趋势。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，结合集成微波光子系统的优势及特点，本专利技术提供一种基于硅基集成的微波光子接收处理芯片，该芯片具有尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性高等优点，可实现微波光子前端信号接收，能在微波光子前端信号处理中发挥关键作用，具有很高的实际应用价值。为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种硅基集成微波光子接收处理芯片，其特点在于，该芯片包括马赫曾德强度调制器、交错梳状滤波器、相位调制器、可重构带通滤波器、光延迟线和平衡光电探测器，所述的马赫曾德强度调制器包括一个基于马赫曾德干涉器结构的强度调制器，所述的相位调制器包括一个片上相位调制器，所述的可重构带通滤波器包括两个光开关以及在开关中间并行的高精细滤波器和宽带滤波器，所述的平衡光电探测器包括一个片上平衡光电探测器。所述的强度调制器采用基于马赫曾德结构的强度调制器，利用硅波导的等离子色散效应，通过改变掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，调节其两臂相位差使其工作在抑制载波工作点，使得该调制器可以调制得到受抑制的光载波以及同等强度的上下边带。所述的交错梳状滤波器可以将上一器件调制产生的上下边带分离，并分成两组信号输出，其中下边带信号进入上支路，上边带信号进入下支路。所述的相位调制器由片上相位调制器构成，该相位调制器位于交错梳状滤波器后的上支路，利用硅波导的等离子色散效应，通过改变掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，可以改变硅波导的有效折射率，实现对上支路中下边带信号相位的调节。所述的可重构带通滤波器由两个光开关以及位于开关中间并行连接的高精细滤波器和宽带滤波器构成，该可重构带通滤波器位于上支路。在该器件中，高精细滤波器和宽带滤波器并行排列，由光开关实现光路选择，当需要提取窄带(<500MHz)微波信号时，开关选择第一路；当需要提取宽带(>500MHz)微波信号时，开关选择第二路。通过这种并行结构，可以实现带宽的大范围调节，使得可以在从L波段到W波段的宽频段内精确提取有用的信号。所述的高精细滤波器由一段硅波导构成，基于硅波导受激布里渊散射效应可以实现带宽几十兆赫兹滤波。所述的宽带滤波器由两个微环谐振器耦合一个马赫曾德干涉器构成，通过改变掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，从而调节两个微环的谐振波长，实现滤波带宽和中心波长的调节。所述的光延迟线位于下支路，可以实现对下支路中上边带信号的延迟。延迟后的下支路信号将作为本地光振荡源进入后续器件。上支路和下支路的信号通过光耦合器合路后共同进入下一器件。所述的平衡光电探测器接收下支路的本地光振荡源信号和上支路的信号光，可以实现微波光子信号的下变频，得到中频信号，最后将其输出到之后的电处理模块进行处理。与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：1、本专利技术所有不同功能模块所对应的器件全部集成于同一芯片上，芯片尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性高，与CMOS工艺兼容，有利于降低成本，进行大规模生产。2、本专利技术使用基于硅波导受激布里渊散射效应的高精细滤波器和基于微环耦合马赫曾德结构的宽带滤波器构成并行可重构滤波器结构，可以分别利用高精细滤波器和宽带滤波器提取窄带(<500MHz)微波信号和宽带(>500MHz)微波信号。同时，该并行结构可以实现带宽的大范围调节，使得在从L波段到W波段的宽频段内精确提取有用的信号。3、本专利技术将微波光子前端处理中的下变频单元、本振频率综合单元以及信号处理单元集成于同一芯片上，下变频单元主要由平衡光电探测器构成，通过上下边带信号的拍频可以实现微波光子信号的下变频。该芯片可完成包括跨波段、可调谐微波光子处理，微波光子宽带下变频，微波光子本振频率综合和相移控制在内的一系列微波光子前端信号接收功能。附图说明图1为本专利技术硅基集成微波光子接收处理芯片的整体结构示意图；具体实施方式为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细的说明。本实施例在以本专利技术的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。图1为本专利技术硅基集成微波光子接收处理芯片的整体结构示意图。如图1所示，本专利技术硅基集成微波光子接收处理芯片，按照功能特点主要分为六个部分：马赫曾德强度调制器101，交错梳状滤波器102，相位调制器103，可重构带通滤波器104，光延迟线105和平衡光电探测器106。单一频率的光信号从硅波导输入，首先经过马赫曾德强度调制器101。在输入光信号通过强度调制器101时，通过改变掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，改变两臂相位差，并使强度调制器工作于最小传输点。这样，在调制后的光信号中，光载波受到抑制，但会产生同等强度的上、下边带。在这里，加载于强度调制器上的驱动信号由可调谐本地振荡器产生。调节强度调制器两臂相位差时利用到了硅波导的等离子色散效应，即通过调节掺杂后的硅波导所加电压，改变硅波导中的自由载流子浓度，从而改变硅材料的折射率，实现对硅波导中光信号相位的调节。然后，受抑制的光载波以及产生的两个边带共同进入交错梳状滤波器102进行解复用处理。所述的交错梳状滤波器102将信号中的上、下边带分离，并分为两个支路输出，其中上边带信号进入下支路，下边带信号进入上支路，实现解复用功能。在上支路中，所述的下边带信号首先进入相位调制器103。在该相位调制器103中，所述的下边带信号用作光载波，由输入的微波信号进行相位调制。输入的微波信号为从L波段到W波段的宽频信号。相位调制的实现同样利用到了硅波导的等离子色散效应。接着，由相位调制器103调制后的信号进入可重构带通滤波器104进行滤波处理。可重构滤波器104由两部分并行构成，第一部分为基于硅波导受激布里渊散射效应的高精细滤波器，第二部分为基于微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基集成微波光子前端接收处理芯片，其特征在于，该芯片包括马赫曾德强度调制器(101)、交错梳状滤波器(102)、相位调制器(103)、可重构带通滤波器(104)、光延迟线(105)和平衡光电探测器(106)，所述的马赫曾德强度调制器(101)具有光输入端和驱动信号输入端，该马赫曾德强度调制器(101)的输出端与所述的交错梳状滤波器(102)的输入端相连，该交错梳状滤波器(102)具有上下两个输出端，下输出端输出上边带信号，并与下支路连接，该下支路包括所述的光延迟线(105)，所述的上输出端输出下边带信号，并与上支路连接，该上支路依次包括所述的相位调制器(103)、可重构带通滤波器(104)，所述的可重构带通滤波器(104)由第一光开关、第二光开关和位于两开关之间并行连接的高精细滤波器和宽带滤波器构成，所述的第一光开关的输入端与所述的相位调制器(103)的输出端相连，所述的第二光开关的输入端与所述的可重构带通滤波器(104)的输出端相连，所述的高精细滤波器和宽带滤波器分别位于所述的可重构带通滤波器(104)的第一路和第二路，当所述的两个光开关选择第一路时，窄带(<500MHZ)微波信号被提取输出；当两个光开关选择第二路时，宽带(>500MHz)微波信号被提取输出，所述的下支路和上支路的输出端与光耦合器的输入端相连，该光耦合器的输出端与所述的平衡光电探测器(106)的输入端相连，该平衡光电探测器(106)的输出端即为该芯片的输出端，与电处理模块相连。所述的马赫曾德强度调制器(101)驱动信号的驱动下，工作在抑制载波工作点，输入光马赫曾德强度调制器(101)产生上边带信号、下边带信号，所述的上边带信号用作下变频的本地光振荡源，进入下支路传输，所述的下边带信号用作光载波，进入上支路传输，所述的下边带信号经过所述的相位调制器(103)、可重构带通滤波器(104)对光信号进行滤波处理，两支路经光耦合器输入所述的平衡光电探测器(106)，得到中频信号，最终进入电处理模块进行处理。...

【技术特征摘要】
1.一种硅基集成微波光子前端接收处理芯片，其特征在于，该芯片包括马赫曾德强度调制器(101)、交错梳状滤波器(102)、相位调制器(103)、可重构带通滤波器(104)、光延迟线(105)和平衡光电探测器(106)，所述的马赫曾德强度调制器(101)具有光输入端和驱动信号输入端，该马赫曾德强度调制器(101)的输出端与所述的交错梳状滤波器(102)的输入端相连，该交错梳状滤波器(102)具有上下两个输出端，下输出端输出上边带信号，并与下支路连接，该下支路包括所述的光延迟线(105)，所述的上输出端输出下边带信号，并与上支路连接，该上支路依次包括所述的相位调制器(103)、可重构带通滤波器(104)，所述的可重构带通滤波器(104)由第一光开关、第二光开关和位于两开关之间并行连接的高精细滤波器和宽带滤波器构成，所述的第一光开关的输入端与所述的相位调制器(103)的输出端相连，所述的第二光开关的输入端与所述的可重构带通滤波器(104)的输出端相连，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周林杰，刘源彬，陆梁军，陈建平，刘娇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31