CN116800341A - 一种具有相移功能的集成可重构微波光子混频方法 - Google Patents

Abstract

一种具有相移功能的集成可重构微波光子混频方法属于集成光学和微波光子学领域，用于降低微波信号的发射与接收对带宽的需求以及传统分立器件存在链路系统体积大，稳定性差等问题。由外部激光器产生的线偏振光载波输入到基于铌酸锂薄膜的集成芯片中，经过波导分区成上下两支路，每条支路包括一个双平行马赫‑曾德尔调制器，通过调整各自偏置电压实现对射频和本振信号的载波抑制单边带调制。两个支路中的单边带信号为相同的偏振态，在上臂DPMZM输出加一个相位调制，可以实现混频移相功能，通过波导的Y分支合束送入光电探测器(PD)中进行拍频得到纯净混频信号，实现变频后相位的调节。本发明更有利于大规模光电器件集成。

Description

一种具有相移功能的集成可重构微波光子混频方法

技术领域

本发明涉及集成光学和微波光子领域，与传统的电混频器相比，集成可重构微波光子混频具有带宽大、损耗低、重量轻和抗电磁干扰等优点。

背景技术

微波光子学作为一门新兴的交叉学科，主要研究微波信号与光信号之间的相互作用。由于具有大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等固有优势，在光载无线通信、光控相控阵雷达、微波毫米波的光子学产生等领域中有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

铌酸锂薄膜(LNOI)具有响应速度快，调制效率高，线性度好等优势；薄膜铌酸锂材料调制器的波导折射率差大，大大减小了器件的体积，大幅降低了器件的半波电压，同时可以实现与硅基或者Si₃N₄的集成，特别是相比较传统广泛应用于电光调制器领域的铌酸锂体材料而言薄膜的弯曲半径更小，这对于混频系统意味着更低的半波电压和更高的调制效率。

微波光子混频器具有实现上变频和下变频的能力，上变频技术将用以发射的低频微波信号转换为频率较高的微波信号,充分利用频谱资源。在接收端可以使用微波光子下变频技术将接收到的高频微波信号转换为频率较低的微波信号，以降低接收端对带宽的需求，混频技术可以直接用于微波信号的发射与接收，广泛应用于无线通信、雷达和相控阵波束形成等领域的收发设备中。

与传统的电混频器相比，微波光子混频器具有带宽大、损耗低、重量轻和抗电磁干扰等优点。但是当前的实现阵列混频多以分立的偏振控制器(PC)、双偏振双平行马赫-曾德尔调制器(DP-DPMZM)、90°电桥、90°偏振旋转器(PR)、检偏器(Pol)实现，系统的体积大，稳定性差，不能保证高可靠性和一致性；同时基于分立器件的微波光子系统存在光学相位控制困难、链路相干稳定性差等问题，难以满足大规模阵列天线接收系统的发展需求。

发明内容

本发明公开了一种片上集成微波光子混频系统，该方法在实现载波抑制单边带混频的基础上，用铌酸锂薄膜材料替代传统调制器体材料进行片上阵列集成。

本发明采用的具体方案由激光二极管(LD)、偏置控制电路、双平行马赫-曾德尔调制器、微波90°耦合器和光电探测器组成。

本发明采用的片上具体方案：结构基于顶层400纳米厚X切铌酸锂的LNOI晶圆，包括衬底，位于衬底之上的缓冲层，位于缓冲层之上的波导层，由两个双平行马赫-曾德尔调制器级联构成，通过改变施加电场来改变材料的折射率，从而改变通过臂上传播的光相位。

所述激光器发出光波频段的连续光载波。

所述电桥将传输的射频信号均分为两个功率相等、相位差为π/2的信号。

所述片上双平行马赫-曾德尔级联调制器将两个信号分别加入到子调制器，同时通过外置偏置控制电路控制双平行马赫-曾德尔调制器的三个偏置电压，实现对+1阶或者-1阶射频信号的载波抑制单边带调制。另一路DPMZM进行载波抑制单边带调制，两路都是线偏光，偏振态统一为一个方向，送入PD拍频，当两路生成的边带均为+1时，系统工作在下变频模式，得到纯净的频率为ω_RF-ω_LO的下变频信号；当调制器输出的信号中包含-1阶的RF边带和+1阶的LO边带时，系统工作在上变频模式，得到了频率为ω_RF+ω_LO的上变频信号。

所述双平行马赫-曾德尔调制器均为铌酸锂薄膜材料光波导，由于铌酸锂薄膜能够很好地将紧凑的光波导结构和其优异的电光特性结合起来，而且高折射率差的铌酸锂光波导对光的限制较强、波导尺寸较小，因此可以在确保不会增大金属电极对光波的吸收损耗的前提下，采用更小的电极间距来有效地提高电光作用的效率。除此之外，还可以通过选取低介电常数的材料作为片酸锂薄膜基底，使得微波信号与光波信号的相速度匹配更容易实现，这种将光波很好地束缚在弯曲半径较小的波导内的特性可以使得片上链路阵列化。

本发明以基于铌酸锂薄膜的双平行马赫-曾德尔强度调制器输出载波抑制单边带光信号，利用光电探测器对两路调制过的信号混频，得到所需上下变频信号。与传统基于双偏振双平行马赫-曾德尔调制器(DP-DPMZM)方法相比，优势在于实验链路简单，不需要调节偏振控制，大大降低信号处理带宽内的杂散与本振信号泄露，对雷达相控阵等多波束技术方向发展有重要意义。

附图说明

图1为微波光子混频链路系统结构示意图；

图2为混频工作原理图；

具体实施方式

下面将结合附图和数学推导，对本发明进行进一步说明。

本发明所述微波光子片上混频链路系统如图1所示。

本发明中外部激光器发出1550nm波长的连续可调的光信号作为双平行马赫-曾德尔调制器的光载波，表示为E₀(t)＝E₀exp(ω₀t)，E₀为载波的振幅，ω₀为载波的中心角频率；射频源输出射频信号，表示为V(t)＝Vcos(ωt)，ω为信号频率，V为电压幅度；

本发明中90°电桥均分两个功率相等、相位差π/2的频率连续可调的射频信号作为双平行马赫-曾德尔调制器的调制信号，分别以这两路射频信号为调制信号，对X-DPMZM的上下两个子马赫-曾德尔调制器进行调制，相应的输出光场表达式为

ω为微波信号的角频率，m＝πV/V_π为调制深度，V_π为双平行马赫-曾德尔调制器的半波电压，θ₁＝πV_DC1/V_π和θ₂＝πV_DC2/V_π分别为上下两个子马赫-曾德尔调制器两臂光信号的相位差。该双平行马赫-曾德尔调制器的输出光场表达式为

θ₃＝πV_DC3/V_π为双平行马赫-曾德尔调制器上下两路光信号的相位差。只考虑光载波和±1阶边带情况，则双平行马赫-曾德尔调制器输出光场表达式为

当θ₁＝θ₂＝π，时，链路实现对+1阶光信号的载波抑制单边带调制，而且，当θ₃从π/2变为-π/2时，可以选择+1阶边带切换为-1阶边带。

同样地，另一路调节直流偏置电压DC₄、DC₅和DC₆同样能对Y-DPMZM进行单边带调制，此时

当X-DPMZM和Y-DPMZM生成的边带均为+1时，系统工作在下变频模式。调节DC₃，使θ₃从π/2变为-π/2，射频信号的边带从+1阶变为-1阶，此时调制器输出的信号中包含-1阶的RF边带和+1阶的LO边带，系统工作在上变频模式，调节上支路的相位调制器的电压，实现变频后相位的调节。

综上所述，本发明提出了一种片上集成可重构微波光子混频链路系统，该系统在实现大带宽低传输损耗的混频下，解决了现有基于分立器件存在的光学相位控制困难、链路相干稳定性差等问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种片上进行微波光子混频的链路系统，其特征在于：由可调谐激光器、射频源、双平行马赫-曾德尔调制器、微波90°耦合器，偏置电压控制器和光电探测器组成，所述可调谐激光器、双平行马赫-曾德尔调制器和光电探测器依次通过光纤连接；所述射频源与90°电桥通过电缆连接；所述双平行-马赫曾德尔调制器与偏置控制电路通过电缆连接；

激光器发出中心频率为1550nm连续光载波，其中一路将所需传输的射频信号经过90°电桥获得两个功率相等、相位差为π/2的信号，该两个信号分别加入到所述双平行马赫-曾德尔调制器的上下两臂，定义上臂直流偏置电压DC₁,DC₂,DC₃,分别调节DC₁、DC₂、DC₃使调制器工作在最小传输点得到载波抑制单边带信号，另一路也通过控制直流电压DC₄、DC₅、DC₆得到所需单边带信号；调制后的两个相同偏振态的光波进行合束，使用光电探测器对调制后的射频信号和载波进行拍频，得到纯净的上/下变频信号。

2.根据权利要求1所述的一种片上进行微波光子混频的链路系统，其特征在于：所述系统通过调节上下支路的双平行马赫-曾德尔调制器的偏置电压，可使本振和射频信号的单边带处于光载波两侧从而实现重构，调节支路相位调制器电压实现变频后相位的调节。

3.应用如权利要求1所述系统的方法，其特征在于：在偏振电压调制后，根据相位差的不同可以产生±1阶载波抑制单边带信号，此时实现最优抑制时半波电压较低；同时所述单边带信号合束过程中的信号为线性无关，偏振态未曾发生改变，因此当两路生成的边带均为+1阶时，系统工作在下变频模式，调节所述偏置电压，使相位差从π/2变为-π/2，调制器输出的信号中包含-1阶的射频信号边带和+1阶的本振信号边带，此时系统工作在上变频模式，实现混频功能。