一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，包括光纤耦合器、光开关阵列、光分路器、超宽带连续可调光真延迟线阵列和探测器阵列；所述光纤耦合器用于输入微波光子相控阵雷达的单边带调制光信号，所述光开关阵列和光分路器用于形成微波光子多波束和微波光子单波束所用阵元数目的重构，所述超宽带连续可调光真延迟线阵列用于独立地调节每个微波阵元上的延迟，所述探测器阵列用于输出微波信号。有益效果是用于微波光子相控阵雷达，实现大瞬时带宽、高分辨率、可重构微波光子多波束形成。形成。形成。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片


[0001]本专利技术涉及集成微波光子学
，具体涉及一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片。

技术介绍

[0002]普通的相控阵雷达即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相单元控制，通过控制各天线单元发射信号的相位，可以改变空间中各天线单元发射信号的干涉图样，从而控制波束发射的方向。相控阵各天线单元发射的电磁波通过干涉合成一个发射方向接近笔直的雷达主瓣波束，各天线单元的不均匀性会形成旁瓣。相控阵雷达从根本上解决了传统机械扫描雷达的种种先天问题，在相同的孔径与操作波长下，相控阵的扫描速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子对抗能力等都远优于传统雷达。
[0003]为了提高抗干扰能力，新型相控阵雷达必须具有尽可能大的带宽；为了提高雷达的分辨率、识别能力并解决多目标成像问题，要求新型相控阵雷达必须具有大的瞬时带宽并具备多波束发射能力；为了对抗反辐射的威胁，也要求采用大瞬时带宽的扩频信号。传统的同轴电缆延迟线、声表面波(SAW)延迟线、电荷耦合器件(CCD)均不能满足需要。静磁波器件技术和超导延迟线技术离实用化还很遥远。
[0004]随着光纤通信技术的飞速发展，各种激光光源、光探测器、光调制器、光开关等有源及无源器件已经高度商业化、市场化。微波光子技术也应运而生，对比传统的电子技术具有瞬时带宽大、损耗低、抗电磁干扰等优点。因此，利用光学真延迟技术研制相控阵雷达的波束形成网络便作为可以突破电子瓶颈的解决方案而成为研究热点。
[0005]过去几十年，各种光学波束形成器的方案已经被报道。其中，它们大多基于光学移相器、可切换光纤延迟矩阵、液晶偏振切换器件、波长可调谐激光器和色散光学元件等。然而这些绝大部分由分立器件构成，会带来系统庞大、稳定性差等问题，并且大多都只是单波束成形网络。为了降低系统体积、质量和功耗、提高稳定性和实用化水平，集成光子技术是发展高性能高稳定性波束形成器的必然选择。同时，为提高雷达抗干扰能力和生存能力、充分利用发射波束能量、提高雷达数据率和波束形成的灵活性，需要建立超宽带的可重构多波束形成网络。
[0006]目前学术界对于微波光子多波束形成的研究大多停留在分立器件层面上，少数集成方案仍存在明显缺陷。分立器件方面，2016年，西班牙的Beatriz Ortega和Jose Mora等人(IEEE Photon.J.,2016,8(3))提出了一种具有较宽角度偏转范围的二维阵列天线的波束成形网络，该网络利用子阵列天线划分实现多波束功能。该系统使用固定的多波长激光器，并将啁啾光纤布拉格光栅与光纤延迟线结合使用，为阵列天线馈电。根据不同具体的应用，不同子阵列的定义允许呈现多达四个在不同方向上定向的空间复用光束，受分立器件特性限制，其调节精度较小，稳定性较差。集成方案方面，2021年浙江大学的研究团队(Opt.Commun.,2021,489)也采用划分子阵列的方法可以将原有2D波束形成方案扩展为多
波束可独立控制的波束形成，比较易于实现，然而该方案需要将多个芯片之间进行复杂连接，集成度较低，最大形成多波束的数量和单个波束形成所需阵元数固定不变，并且后端还需要加入微波功率分配结构，灵活性和实用性较差。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是，提供一种用于微波光子相控阵雷达，实现大瞬时带宽、高分辨率、可重构微波光子多波束形成的网络芯片。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，包括光纤耦合器、光开关阵列、光分路器、超宽带连续可调光真延迟线阵列和探测器阵列；所述光纤耦合器用于输入微波光子相控阵雷达的单边带调制光信号，所述光开关阵列和光分路器用于形成微波光子多波束和微波光子单波束所用阵元数目的重构，所述超宽带连续可调光真延迟线阵列用于独立地调节每个微波阵元上的延迟，所述探测器阵列用于输出微波信号。
[0009]优选地，上述的一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，包括N个光纤耦合器、一个N
×
N光开关阵列、N个1
×
M光分路器、N
×
M路超宽带连续可调光真延迟线阵列和N
×
M路探测器阵列；所述N个光纤耦合器的输入信号为N路载波波长为λ、调制信号为待发射微波信号的单边带调制光信号，所述N个光纤耦合器的输出端分别与所述N
×
N光开关阵列的N个输入端相连接，所述N
×
N光开关阵列的N个输出端分别与所述N个1
×
M光分路器的输入端相连接，所述N个1
×
M光分路器的输出端分别与所述N
×
M路超宽带连续可调光真延迟线阵列的输入端相连接，所述N
×
M路超宽带连续可调光真延迟线阵列的输出端分别与所述N
×
M路探测器阵列的输入端相连接，所述N
×
M路探测器阵列输出信号为最大波束数等于N的微波信号。
[0010]优选地，所述光纤耦合器采用光栅耦合器结构或者模斑变换器结构，用于实现光纤和芯片的光学耦合。
[0011]优选地，所述N
×
N光开关阵列由若干个2
×
2光开关单元和波导交叉结以Benes、Crossbar或者双层网络结构的拓扑结构组成，所述2
×
2光开关单元采用马赫
‑
增德尔干涉器结构，所述波导交叉结采用多模干涉结构；所述2
×
2光开关单元集成了用于实现光开关状态切换的热调移相器或者电调移相器；调节所述N
×
N光开关阵列光开关状态进行不同路由路径，实现可重构光分路器功能，所述N
×
N光开关阵列输入光束和输出光束的分束比可重构为1:2，1:4，
…
，或1:N。
[0012]优选地，所述1
×
M分光分路器将输入光平均分束到M路输出，采用级联1
×
2分路器或者1
×
M多模干涉器结构构成，所述1
×
2分路器采用多模干涉器结构或Y型分叉结构。
[0013]优选地，所述的N
×
M路超宽带连续可调光真延迟阵列由N
×
M个相同的可调真延迟线并行构成。
[0014]优选地，所述可调真延迟线由第一高Q值上下载可调光滤波器、第二高Q值上下载可调光滤波器和级联微环延迟线构成，所述第一高Q值上下载可调光滤波器和第二高Q值上下载可调光滤波器尺寸相同；所述可调延迟线的输入端与所述第一高Q值上下载可调滤波器的输入端相连接，所述第一高Q值上下载可调滤波器的直通端和下载端分别与级联微环延迟线的输入端和第二高Q值上下载滤波器的下载端相连接，所述级联微环延迟线的输出
端与所述第二高Q值上下载滤波器的直通端相连接，所述第二高Q值上下载滤波器的输出端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，其特征在于：其结构包括光纤耦合器、光开关阵列、光分路器、超宽带连续可调光真延迟线阵列和探测器阵列；所述光纤耦合器用于输入微波光子相控阵雷达的单边带调制光信号，所述光开关阵列和光分路器用于形成微波光子多波束和微波光子单波束所用阵元数目的重构，所述超宽带连续可调光真延迟线阵列用于独立地调节每个微波阵元上的延迟，所述探测器阵列用于输出微波信号。2.根据权利要求1所述的一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，其特征在于：包括N个光纤耦合器、一个N
×
N光开关阵列、N个1
×
M光分路器、N
×
M路超宽带连续可调光真延迟线阵列和N
×
M路探测器阵列；所述N个光纤耦合器的输入信号为N路载波波长为λ、调制信号为待发射微波信号的单边带调制光信号，所述N个光纤耦合器的输出端分别与所述N
×
N光开关阵列的N个输入端相连接，所述N
×
N光开关阵列的N个输出端分别与所述N个1
×
M光分路器的输入端相连接，所述N个1
×
M光分路器的输出端分别与所述N
×
M路超宽带连续可调光真延迟线阵列的输入端相连接，所述N
×
M路超宽带连续可调光真延迟线阵列的输出端分别与所述N
×
M路探测器阵列的输入端相连接，所述N
×
M路探测器阵列输出信号为最大波束数等于N的微波信号。3.根据权利要求2所述的一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，其特征在于：所述光纤耦合器采用光栅耦合器结构或者模斑变换器结构，用于实现光纤和芯片的光学耦合。4.根据权利要求2所述的一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，其特征在于：所述N
×
N光开关阵列由若干个2
×
2光开关单元和波导交叉结以Benes、Crossbar或者双层网络结构的拓扑结构组成，所述2
×
2光开关单元采用马赫
‑
增德尔干涉器结构，所述波导交叉结采用多模干涉结构；所述2
×
2光开关单元集成了用于实现光开关状态切换的热调移相器或者电调移相器；调节所述N
×
N光开关阵列光开关状态进行不同路由路径，实现可重构光分路器功能，所述N
×
N光开关阵列输入光束和输出光束的分束比可重构为1:2，1:4，
…
，或1:N。5.根据权利要求2所述的一种硅基可重构微波光子多波束形成网络芯片，其特征在于：所述1
×
M分光分路器将输入光平均分束到M路输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆梁军，倪子恒，周林杰，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：