一种外调型多信道协同的模拟多维微波光子采集芯片

技术领域

本发明属于集成微波光子技术领域，尤其涉及一种外调型多信道协同的模拟多维微波光子采集芯片。

背景技术

多信道微波信号的采集接收是现代无线射频系统的关键环节，涉及通信、雷达、电子战等诸多核心关键应用领域。当前，5G/B5G、空间信息网络快速演进，并逐渐深入到卫星通信、轨道交通、军民融合等多个领域，发挥着基础支撑作用。然而，这些系统和行业应用的“异构”特性非常鲜明：多频段、多制式、多功能、多业务、多平台、多场景等长期共存并交融。这些多频段、多制式、多功能融合一体化系统的持续推进需要实现超宽带、多频段信号的兼容并存与快速重构，给传统基于电子技术的微波信号采集手段带来了巨大挑战。而微波光子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰以及可灵活重构等优势为上述问题解决提供了一条新的有效途径。

通常，微波光子信号多信道采集系统由离散分立的电光调制器、光电探测器以及多种光处理单元共同搭建，如微波光子信道化的接收机(R.Li，H.Chen，Y.Yu，M.Chen，S.Yang，S.Xie,“Multiple-Frequency Measurement Based on Serial PhotonicChannelization Using Optical Wavelength Scanning,”Optics Letters,pp:4781,2013)，利用循环光频移和时域光开关，实现了20GHz宽谱信号的信道化采集接收。然而，基于离散分立器件的微波光子采集系统在成本、体积、功耗等方面皆难以满足实用化需求。而集成微波光子技术的进一步发展、成熟，给集成化的多信道模拟微波光子信号采集指明了发展方向。譬如，日本的NTT公司利用倒片封装工艺，报道了3-dB带宽超过50GHz的8信道电吸收调制激光器阵列收发模块(S.Kanazawa,T.Fujisawa,H.Ishii,et al.“High-speed(400Gb/s)eight-channel EADFB laser array module using flip-chipinterconnection technique,”IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics,vol.21,no.6,pp.183-188,2015.)。荷兰埃因霍温理工大学的研究人员借助于磷化铟(InP)基光子集成平台，采用激光器和MZM调制器阵列结构，报道了8信道的多信道发送芯片，单个信道的3-dB带宽超过40GHz(W.Yao,M.Smit and M.Wale,“Monolithic300Gb/s parallel transmitter in InP-based generic photonic integrationtechnology,”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,vol.24,no.1,pp.1-11,2017)。

然而，已报道的多信道集成采集芯片大多数都是针对数字调制格式，鲜有针对宽带模拟信号采集的芯片设计报道。而模拟调制在线性度、动态范围等指标上要求更为苛刻。同时，这些芯片大多数仅具备独立的单一维度信号调制功能(主要为强度调制)，无法满足微波信号光域协同多维采集与重构需求。

发明内容

鉴于上述的多信道微波信号光子学采集接收面临的诸多问题，本发明提供一种外调型多信道协同的模拟多维微波光子采集芯片。

本发明的一种外调型多信道协同的模拟多维微波光子采集芯片，由光注入端口、多路协同采集模块、可重构多维采集模块、偏振合束器和光输出端口组成。

多路协同采集模块包括光相移器、4路平行相位调制器和两级并联、级联的MMI型合波器；光源通过光注入端口和光相移器直接输入至4路相位调制器，利用4路平行相位调制器采集多路模拟信号并调制到不同信道的光载波上，即信号光子学采集；随后利用通过两级并联、级联连接的MMI型合波器进行不同信道的光信号耦合。

可重构多维采集模块包括可重构光路选取单元、4路平行相位调制器、光相移器和两级并联、级联连接的MMI型合波器；光注入端口输入的光源通过可重构光路选取单元分为4路信号，对应输入4路相位调制器中，在相位调制器中，模拟宽带信号被调制到多路光载波上，即实施光子信号采集；4路相位调制器输出信号经光相移器之后由两级并联、级联连接的MMI型合波器合路。

多路协同采集模块和可重构多维采集模块由偏振合束器进行偏振合路，经光输出端口输出。

可重构光路选取单元由级联与并联的三个可调非对称马赫增德尔干涉仪型分波器组合而成；可调非对称马赫增德尔干涉仪型分波器由相移器和两个MMI耦合器构成。

本发明的有益技术效果为：

1、本发明提出的多信道采集芯片基于多路并行相位调制，实现了片上多路信号的密集采集功能。

2、本发明提出的多信道采集芯片可实现多路相干采集信道，支撑多路微波信号的协同采集功能。

3、本发明提出的多信道采集芯片可基于片上动态偏压控制与光路选取，实现可重构的模拟多维调制采集功能。

附图说明

图1为本发明外调型多信道协同的模拟多维微波光子采集芯片结构示意图。

图2为非对称马赫增德尔干涉仪型分波器的结构图。

图中：PS：光相移器；MMI：多模干涉耦合器；AMZI：非对称马赫增德尔干涉仪

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种外调型多信道协同的模拟多维微波光子采集芯片如图1所示，由光注入端口10、多路协同采集模块20、可重构多维采集模块30、偏振合束器40和光输出端口50组成。

多路协同采集模块20包括光相移器201、4路平行相位调制器202和两级并联、级联的MMI型合波器203；光源通过光注入端口10和光相移器201直接输入至4路相位调制器202，利用4路平行相位调制器202采集多路模拟信号并调制到不同信道的光载波上，即信号光子学采集；随后利用两个并联2×1MMI型合波器分别进行两路相位调制信号合路，支撑两信道协同采集，两个并联2×1MMI型合波器的输出进一步由另外一个2×1MMI型合波器耦合，支撑四信道协同采集。在该模块中，光相移器201动态控制不同路径的光载波相位，实现不同路径光波的相位匹配，从而最终支撑多信道协同采集。

可重构多维采集模块30包括1×4可重构光路选取单元301、4路平行相位调制器302、光相移器303和两级并联、级联连接的MMI型合波器304；可重构光路选取单元301由级联与并联的三个可调非对称马赫增德尔干涉仪型分波器组合而成；可调非对称马赫增德尔干涉仪型分波器如图2所示，由相移器3011、1×2MMI型分波器3012、2×1MMI型合波器3013构成。

光注入端口10输入的光源通过可重构光路选取单元301分为4路信号，对应输入4路相位调制器302中，在相位调制器302中，模拟宽带信号被调制到多路光载波上，即实施光子信号采集；4路相位调制器302输出信号经光相移器303之后由两级并联、级联连接的MMI型合波器304合路。在该模块中，通过3个AMZI的可调移相器3011的组合控制，可实现片上光路动态选取，构建多种不同的光路，包括：并行多路相位调制，多路相位调制、双驱MZM光路、双平行MZM光路等。进一步结合由光相移器303实施的片上动态偏压控制，实现可重构的相位、强度、单边带、抑制载波双边带、抑制载波单边带等多维模拟调制采集功能。

多路协同采集模块20和可重构多维采集模块30由偏振合束器40进行偏振合路，经光输出端口50输出。进一步拓展偏振维度，提升采集芯片的灵活性。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1、基于片上多路并行相位调制，实现多路信号的密集采集功能；2、基于片上动态偏压控制与灵活光路选取，完成多信道协同的模拟多维微波光子信号采集功能。