一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片

技术领域

本发明属于模拟微波信号多信道采集领域，尤其涉及一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片。

背景技术

微波信号的多信道采集接收在雷达、无线通信等军、民微波系统应用中占据着不可或缺的关键地位，涉及信道化、阵列信号处理、多进多出(MIMO)等多项关键技术。而随着信息技术的不断发展演进以及武器装备信息化进程的不断加速，多频段、多制式、多功能、多平台融合的一体化微波系统已成为未来军、民领域的关键发展方向，涉及空天地一体化、5G/B5G超密集异构网络以及侦测/干扰/探测/通信一体化电子系统等。传统电子技术受限于带宽窄、电磁兼容差、传输损耗大和处理速度低等“电子瓶颈”问题，已难以满足一体化微波系统发展趋势所需的超宽带、多频段信号兼容采集接收需求。作为融合微波技术与光子技术的交叉学科，基于微波光子技术的信号采集接收具有宽频谱覆盖范围、大瞬时带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，在上述一体化微波系统应用中占据明显优势。

然而，目前以离散分立元器件、以及光纤链路为主的微波光子系统在实施多信道微波信号采集功能时面临体积、功耗、成本、稳定性等性能瓶颈。基于光子集成技术，可以有效地克服上述问题：日本的Fujitsu研究所利用1310nm直调分布式反射激光器阵列结构，在半绝缘磷化铟衬底上制备了具备四个不同波长通道的多信道发送芯片(M.Matsuda,A.Uetake,T.Simoyama,et al.,“1.3-μm-wavelength AlGaInAs multiple-quantum-wellsemi-insulating buried-heterostructure distributed-reflector laser arrays onsemi-insulating InP substrate,”IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics,vol.21,no.6,pp.241-247,2015.)，而国内的中科院半导体所、华中科技大学的相关课题组利用直调分布反馈式(DFB)激光器阵列结构，在1550nm附近实现了4通道以及8通道的多信道信号采集模块(M.Li,Z.Liang,L.Song,et al.“Four distributedfeedback laser array integrated with multimode-interference and semiconductoroptical amplifier,”Chinese Physics B,vol.22,no.5,art.054211,2013.)，(Zhang,Yi-ming,et al.,“Reconfigurable WDM-PON empoweredby a low-cost 8-channel directlymodulated laser module,”Optoelectronics Letters,vol.13,no.6,pp.423-426,2017.)。目前报道的多信道微波光子采集芯片/模块主要局限在于：各个采集信道相互独立，无法实现多信道间协同信号采集；结构及功能固定，灵活度不足，无法实现多个信道的灵活重组。

发明内容

鉴于微波光子技术在处理宽带信号上的优势及以上技术的不足，本发明提供一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片。

本发明的一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片，采用多路平行的高密度集成直接调制激光器(DML)阵列，以波分复用的方式构建多信道(≥8)采集芯片，实施微波信号电-光转换，即微波光子信号采集。继而，结合外部光注入锁定获得多路相干输出波长，实现多信道协同采集，并利用片上可调微环谐振腔实现动态波长通道选择，支撑可重构的多信道协同采集。具体由两组不同采集信道组成。

在第一组采集信道中，外部光源由注入光端口输入，被多路MMI分路器分成不同路光信号，输入对应多路并行直调激光器阵列，并行直调激光器阵列采集多路宽带模拟微波电信号，从而产生多路相干光载波，再并行接入一个MMI型合路器，合路后输出至输出光端口，完成模拟信号的多信道协同采集。

在第一组采集信道中，宽带模拟微波信号直接由直调激光器阵列采集，并调制到相同或不同波长的相干光载波上，进行多路协同处理。

在第二组采集信道中，外部光源依次经注入光端口、多路MMI分路器和多路直调激光器阵列完成注入锁定以及宽带模拟微波信号采集之后，每两个直调激光器的光信号输入到一个2×1MMI型合波器，经多个2×1MMI型合波器耦合后，输入到微环谐振腔处理模块中；微环谐振腔处理模块的输出光信号并行接入MMI型合路器，合路后输出到输出光端口，实现多信道可动态重构的电光接收功能。

在第二组采集信道中，利用片上集成的微环谐振腔处理模块对每组相干光信号进行自由波长切换处理，实现多信道可动态重构的电光接收功能。

进一步的，直调激光器中，从芯片外部采集到的宽带模拟微波电信号作为调制电压直接对光信号进行调制。

进一步的，直调激光器阵列的电输入是一个宽带模拟微波信号，或者是多个不同带宽模拟微波信号。

进一步的，微环谐振腔处理模块由AMZI型分光器、微环波导以及光移相器构成；光信号经由AMZI型分光器耦合到微环波导，在微环波导中加入光移相器。

进一步的，AMZI分光器由MMI型分波、光移相器与MMI型合波器组成，通过热光效应调节控制AMZI型分光器的耦合比。

进一步的，直调激光器为片上分布反馈式激光器。

本发明的有益技术效果为：

1、基于有源与无源光子混合集成技术，构建密集集成多信道微波光子采集芯片；

2、采用直接调制激光器实施多信道采集，极大降低了系统复杂度，通过外部光注入锁定技术，实现多信道协同采集。

3、利用片上微环谐振腔处理模块的可调谐滤波特性实现动态波长通道选择，支持动态可重构采集功能。

附图说明

图1为本发明多信道采集芯片结构示意图。

图2为直调激光器注入锁定以及直接调制示意图。

图3为微环谐振腔处理模块结构示意图。

图4为AMZI型分光器结构示意图。

图中：DML：直调激光器；MMI：多模干涉型耦合器；AMZI：非对称马赫曾德尔干涉仪。

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。

本发明的一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片如图1所示，包括两个多路MMI型分路器20，DML阵列30，多个2×1MMI型分波器40，多个微环谐振腔处理模块50，两个N×1MMI合路器60。具体由两组不同采集信道组成。

在第一组采集信道中，外部光源由注入光端口10输入，被多路MMI分路器20分成不同路光信号，输入对应多路并行直调激光器阵列30，从而产生多路相干光载波。如图2所示，直调激光器中，从芯片外部采集到的宽带模拟微波电信号作为调制电压直接对光信号进行调制。再并行接入一个MMI型合路器60，合路后输出至输出光端口70，完成模拟信号的多信道协同采集。

在第二组采集信道中，外部光源依次经注入光端口10、多路MMI分路器20和多路直调激光器阵列30完成注入锁定以及宽带模拟微波信号采集之后，每两个直调激光器的光信号输入到一个2×1MMI型合波器40，经多个2×1MMI型合波器40耦合后，输入到微环谐振腔处理模块50中；微环谐振腔处理模块50的输出光信号并行接入MMI型合路器60，合路后输出到输出光端口70，实现多信道可动态重构的电光接收功能。

进一步的，微环谐振腔处理模块50如图3所示，由AMZI型分光器501、微环波导502以及光移相器503构成；光信号经由AMZI型分光器501耦合到微环波导502，微环波导502的初始自由频谱范围由其材料以及环长决定，简单来说就是由光程决定，这里设计为DML阵列30的初始波长间隔值。为实现动态波长通道选择，在微环波导502中加入光移相器503。基于热光效应，可以用微环可调滤波特性来实现动态波长通道选择，支撑可重构的多信道协同采集。

进一步的，AMZI分光器501如图4所示，由MMI型分波5011、光移相器5012与MMI型合波器5013组成，通过热光效应调节控制AMZI型分光器501的耦合比，可以调节微环的Q值。

实际执行过程为：外部光源从注入光端口10输入，被多路MMI型分路器20分成多路光信号，以注入锁定DML阵列30。DML阵列30采集宽带模拟微波信号时，其工作波长在常用的C波段范围内可调。DML阵列30的初始波长设定为C波段内的相邻且等间距的一系列不同的值。当DML阵列30被注入光锁定时，其工作波长随注入光发生变化，产生与注入光相干的一系列光载波。随后，宽带模拟电信号被调制到这些并行的相干光载波上，完成多信道协同采集。DML阵列30的电输入可以是一个宽带模拟微波信号，也可以是多个不同带宽模拟微波信号。