一种硅基集成微波光子下变频芯片及其下变频实现方法技术

一种硅基集成微波光子下变频芯片及其下变频方法，属于微波光子技术领域，解决现有技术中基于分立器件实现的微波光子下变频系统尺寸大、不利于集成以及现有的微波光子下变频技术方案复杂度高、能量损耗较大、系统转换效率低的问题；在与CMOS工艺兼容的SOI平台上集成光栅耦合器、两个硅基相位调制器、热光移相器、2

【技术实现步骤摘要】
一种硅基集成微波光子下变频芯片及其下变频实现方法


[0001]本专利技术属于微波光子
，涉及一种硅基集成微波光子下变频芯片及其下变频方法。

技术介绍

[0002]随着通信需求的日益增加，信号带宽和频率不断提高，而信号处理系统能够处理的信号带宽有限，因此需要下变频技术将高频信号转变成中低频信号之后再进行处理。微波光子学是将微波技术和光子技术相结合的一门交叉学科，融合了微波和光子技术两方面的优势，具有低损耗、高频段、大带宽和抗电磁干扰等优点，成为当前研究热点。微波光子下变频技术是通过调制器把接收到的高频信号和本振信号分别调制在光信号上，最后在探测器上通过拍频得到下变频信号。通过对微波信号进行降频处理，从而可以使用技术程度更高、成本更低的中低频器件对微波信号的后期处理。微波光子下变频技术，在光域完成了微波高频信号到中低频的转换，克服了传统电域变频方法中系统复杂度高、信号损耗大、处理带宽小、易受电磁干扰等问题，在雷达、电子战、通信等领域中具有广泛应用。
[0003]衡量微波光子下变频链路性能优劣的重要指标是增益和动态范围。增益直接影响着变频链路的性能，尤其在远距离传输系统中，对增益有较高的要求。而动态范围描述系统能够处理的功率范围，综合体现系统性能，是评判下变频接收机性能的重要指标。因此，研究高增益、大动态范围的微波光子下变频方法与系统具有重要意义。
[0004]微波光子下变频系统中的关键器件包括激光器、调制器、探测器等，目前微波光子下变频系统是基于多个分立器件实现功能的，分立器件尺寸大、功耗高。由于绝缘体上硅(SOI)技术平台器件库相对成熟，可集成无源器件、电光调制器、探测器等，并且SOI技术平台与CMOS工艺兼容，可以在同一个SOI wafer上，集成各种功能的光路器件和电路器件，可以显著提高系统集成度，如文献公开日期为2019年的文献《面向微波光子的硅基光子器件研究》(杨建义，浙江大学)针对微波光子链路的需求，介绍了相关硅基光电子器件研究工作，包括高线性调制器、高饱和探测器、大范围可调微波真时延线和光波束形成网络延时模块等。因此，利用SOI平台在芯片层面单片集成调制器、移相器、光耦合器、探测器等，实现硅基集成微波光子下变频芯片，应用于微波光子下变频技术中，具有小型化、集成度高等优势。
[0005]对于基于外差混频技术的微波光子下变频技术方案，主要包括基于串联马赫增德尔调制器、双平行马赫增德尔调制器结构、双偏振双平行马赫增德尔调制器等外调制方案，通过将微波信号RF和本振信号L0分别加载在两个调制器上，从而在探测器上实现差频探测，如公开日期为2019年8月23日、公开号为CN110166133A的中国专利技术专利申请文献《一种低本振频率的微波光子下变频系统》；但以上方案均是基于复杂调制器结构来实现微波光子下变频，系统结构复杂度高，并且微波信号经过两次调制后，能量损耗较大，系统转换效率不高。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于设计一种硅基集成微波光子下变频芯片及其下变频方法，以解决现有技术中基于分立器件实现的微波光子下变频系统尺寸大、不利于集成以及现有的微波光子下变频技术方案复杂度高、能量损耗较大、系统转换效率低的问题。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
[0008]一种硅基集成微波光子下变频芯片，包括：集成在与CMOS工艺兼容的SOI平台上的光栅耦合器(10)、1
×
2光分束器(11)、热光移相器(12)、第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)、2
×
2光耦合器(15)、GeSi平衡光探测器(16)、硅波导(17)；
[0009]所述的光栅耦合器(10)的输出端通过硅波导(17)与1
×
2光分束器(11)的输入端连接，所述的1
×
2光分束器(11)的第一输出端通过硅波导(17)与热光移相器(12)的输入端连接，热光移相器(12)的输出端通过硅波导(17)与第一硅基相位调制器(13)的输入端连接，第一硅基相位调制器(13)的输出端通过硅波导(17)与2
×
2光耦合器(15)的第一输入端连接，2
×
2光耦合器(15)的第一输出端过硅波导(17)与GeSi平衡光探测器(16)的第一输入端连接；所述的1
×
2光分束器(11)的第二输出端通过硅波导(17)与第二硅基相位调制器(14)的输入端连接，第二硅基相位调制器(14)的输出端通过硅波导(17)与2
×
2光耦合器(15)的第二输入端连接，2
×
2光耦合器(15)的第二输出端过硅波导(17)与GeSi平衡光探测器(16)的第二输入端连接；
[0010]所述的光栅耦合器(10)将输入的光信号耦合进硅波导(17)中，经过1
×
2光分束器(11)等功率分束后分别进入第一硅基相位调制器(13)和第二硅基相位调制器(14)；所述的热光移相器(12)用于控制第一硅基相位调制器(13)的工作在π/2偏置点；直流偏置电压DC与微波信号RF加载在第一硅基相位调制器(13)上，直流偏置电压DC与本振信号L0加载在第二硅基相位调制器(14)上；微波信号RF经过第一硅基相位调制器(13)的电光转换得到光载微波信号，本振信号L0通过第二硅基相位调制器(14)的电光转换得到光载本振信号，光载微波信号和光载本振信号经过2
×
2光耦合器(15)耦合分束后分别进入GeSi平衡光探测器(16)的两个输入端，经过GeSi平衡光探测器(16)的差频光电转换探测后，将耦合在一起的光载微波信号和光载本振信号下变频为中低频信号IF。
[0011]本专利技术的技术方案在与CMOS工艺兼容的SOI平台上集成光栅耦合器、两个硅基相位调制器、热光移相器、2
×
2的3dB光耦合器、GeSi平衡光探测器，实现了芯片化，尺寸小、集成度高；使用两个硅基相位调制器即可实现微波光子信号下变频，结构简单、链路损耗小、变频效率高；采用平衡式差频探测，两路光电流信号相减，部分噪声和直流项被抵消，降低了系统中激光器产生的输入噪声水平。
[0012]所述的第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)为载流子耗尽型调制器。
[0013]所述的第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)的电极结构为共面波导行波电极，两边电极为接地电极G，中间电极为信号电极S，直流偏置电压DC加载在中间信号电极S上，保证了第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)工作在载流子耗尽状态。
[0014]所述的2
×
2光耦合器(15)采用3dB的2
×
2多模干涉型(MMI)耦合器或2
×
2定向耦合器。
[0015]一种基于所述的硅基集成微波光子下变频芯片的下变频实现方法，包括以下步骤：
[0016]S11、光信号的输入；
[0017]S12、微波信号和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基集成微波光子下变频芯片，其特征在于，包括：集成在与CMOS工艺兼容的SOI平台上的光栅耦合器(10)、1
×
2光分束器(11)、热光移相器(12)、第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)、2
×
2光耦合器(15)、GeSi平衡光探测器(16)、硅波导(17)；所述的光栅耦合器(10)的输出端通过硅波导(17)与1
×
2光分束器(11)的输入端连接，所述的1
×
2光分束器(11)的第一输出端通过硅波导(17)与热光移相器(12)的输入端连接，热光移相器(12)的输出端通过硅波导(17)与第一硅基相位调制器(13)的输入端连接，第一硅基相位调制器(13)的输出端通过硅波导(17)与2
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2光耦合器(15)的第一输入端连接，2
×
2光耦合器(15)的第一输出端过硅波导(17)与GeSi平衡光探测器(16)的第一输入端连接；所述的1
×
2光分束器(11)的第二输出端通过硅波导(17)与第二硅基相位调制器(14)的输入端连接，第二硅基相位调制器(14)的输出端通过硅波导(17)与2
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2光耦合器(15)的第二输入端连接，2
×
2光耦合器(15)的第二输出端过硅波导(17)与GeSi平衡光探测器(16)的第二输入端连接；所述的光栅耦合器(10)将输入的光信号耦合进硅波导(17)中，经过1
×
2光分束器(11)等功率分束后分别进入第一硅基相位调制器(13)和第二硅基相位调制器(14)；所述的热光移相器(12)用于控制第一硅基相位调制器(13)的工作在π/2偏置点；直流偏置电压DC与微波信号RF加载在第一硅基相位调制器(13)上，直流偏置电压DC与本振信号L0加载在第二硅基相位调制器(14)上；微波信号RF经过第一硅基相位调制器(13)的电光转换得到光载微波信号，本振信号L0通过第二硅基相位调制器(14)的电光转换得到光载本振信号，光载微波信号和光载本振信号经过2
×
2光耦合器(15)耦合分束后分别进入GeSi平衡光探测器(16)的两个输入端，经过GeSi平衡光探测器(16)的差频光电转换探测后，将耦合在一起的光载微波信号和光载本振信号下变频为中低频信号IF。2.根据权利要求1所述的一种硅基集成微波光子下变频芯片，其特征在于，所述的第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)为载流子耗尽型调制器。3.根据权利要求2所述的一种硅基集成微波光子下变频芯片，其特征在于，所述的第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)的电极结构为共面波导行波电极，两边电极为接地电极G，中间电极为信号电极S，直流偏置电压DC加载在中间信号电极S上，保证了第一硅基相位调制器(13)、第二硅基相位调制器(14)工作在载流子耗尽状态。4.根据权利要求1所述的一种硅基集成微波光子下变频芯片，其特征在于，所述的2
×
2光耦合器(15)采用3dB的2
×
2多模干涉型(MMI)耦合器或2
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2定向耦合器。5.一种基于权利要求1
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4任一项所述的硅基集成微波光子下变频芯片的下变频实现方法，其特征在于，包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐珍珠，朱宇鹏，高旭东，崇毓华，曹继明，梅理，李泽正，涂路奇，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：