一种可编程二维同时多波束光控相控阵接收机芯片及多波束控制方法与流程

1.本发明涉及一种可编程二维同时多波束光控相控阵接收机芯片及多波束控制方法，特别涉及多种不同材料平台的光子集成芯片。


背景技术：

2.随着信息技术的飞速发展，未来战争将朝着大纵深、立体化作战方向发展，并且伴随着卫星通信技术和人工智能技术的跨越式提升，整体作战将朝着海陆空天一体化、智能化和多平台融合方向发展，并且将具备超远程、全天候、快速、灵活和精确的特点。因此高度发达的信息获取、控制和使用技术将在未来战争占据越来越重要的地位。作为在战争中扮演着“千里眼”和“顺风耳”的雷达发射和接收系统将在这一过程中起着至关重要的作用。因此，雷达信号的宽带接收与处理、信息的泛在感知与接入是目前雷达研究的热点与难点问题。
3.在通信领域中作为骨干与核心的光纤通信技术在数十年的发展中已经向人们证明了其超强的宽带数据处理能力。与此同时，传统的微波技术在泛在感知和接入上展现了一定的能力。由于相比于传统的微波技术，光通信具有超低损耗和抗电磁干扰的能力，将以上两种技术进行融合，诞生了微波光子技术。美国海军实验室更以“光子学照亮了雷达的未来”为题，将该技术在雷达的工程应用提升到了极为重要的高度。目前，微波光子雷达技术在国内外的研究成果显示出，微波光子技术相比于传统的微波信号处理技术展现出超大的带宽以及很强的灵活性，提升了整个雷达系统的性能。然而，目前大多数微波光子雷达系统都是基于分立光器件或者设备搭建完成。微电子产业的发展为微波光子学的发展指明方向。
4.伴随着集成光学的快速发展，基于多材料平台发展的集成微波光子技术为微波光子雷达的小型化、通用化奠定了坚实的基础。然而，目前大多数集成微波光子芯片都是在单一材料平台实现，只能实现一些单一功能，并且系统体积不能进一步减小。同时，大部分雷达使用的都是单天线结构，并不是基于相控阵的天线结构。相控阵雷达相比于传统的单天线或者圆形天线雷达具有稳定性高、灵活性强、探测距离远等优势，其原理是利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描。传统的基于电移项器的相控阵雷达会产生波束偏斜现象，而使用基于光子真延时线仅仅通过改变天线单元之间的时间差就可以解决该问题。目前，基于绝缘体上硅(silicon on insulator, soi)、氮化硅(silicon nitride,sin)、磷化铟(indium phosphide,inp)材料的集成光控相控阵芯片已有报道，但以上大部分芯片智能实现一维单波束扫描，不能实现二维同时多波束扫描，极大地限制了其应用范围。相比之下，虽然电控相控阵芯片带宽较窄，但是可以实现二维同时多波束扫描，极大地增强了其功能性和多场景应用能力。因此，实现光控相控阵芯片的二维同时多波束扫描，不仅具有超宽带、超低损耗和抗电磁干扰等优势，还可以实现光控相控阵芯片的多功能性。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明首先提供了一种可编程二维同时多波束光控相控阵接收机芯片，其包括异构集成的inp光芯片和soi光芯片；
6.所述的inp光芯片集成了q个dfb激光器(distributed-feedbacklaser,dfblaser)和q个半导体光放大器(semiconductoropticalamplifier,soa)，q个dfb激光器输出光信号的波长分别为λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq；q个dfb激光器的光输出端分别和q个soa的输入端连接，inp光芯片上dfb激光器阵列输出的光信号经对应的soa放大后，输入到soi光芯片上对应的sin-ops输入端口；
7.soi光芯片集成了q个具有l级1
×
2sin-mmi的sin光功分器(sin-basedopticalpowersplitter,sin-ops)，记作sin-opsq，每个sin-ops都有2
l
个输出端口，sin-opsq的输出端记作sin-ops
q-ok，1≤k≤2
l
，且k为整数；每个sin-ops
q-ok后都级联一个对应的硅基调制器；所述soi光芯片上还集成了2
l
个1
×
q的sin光波长复用器(sin-basedopticalwavelengthmultiplexer,sin-wdm)，记作sin-wdmk；每个sin-wdm有q个光输入端口与对应的硅基调制器相连，每个sin-wdm有一个光输出端口将q路波长不同的光信号合成为一路光信号进行传输；
8.每个sin-wdm光输出端口后连续级联两种不同的sin光真延时线sin光真延时线(sin-basedopicaltruetimedelayline,sin-ottdl)
‑‑
sin-ottdl1和sin-ottdl2；sin-ottdl1由m 1级2
×
2sin-os和m级延时线-参考波导级联而成，参考波导和延时线均使用的是sin单模波导，仅通过改变其长度差来实现延时；sin-ottdl2由n 1级2
×
2sin-os和n级延时线-参考波导级联而成，延时线采用色散器件；
9.经过连续两级sin-ottdl1和sin-ottdl2延时后，经过与sin-ottdl2输出端级联的锗硅光电探测器gesi-pd解调成电信号，经k个gesi-pd解调出的电信号输出至外部电合成器进行合成。
10.作为本发明的优选方案，所述的sin-wdm为基于sin材料的微环谐振腔、latticefilter或阵列波导光栅(arraywaveguidegrating,awg)。
11.作为本发明的优选方案，sin-ops优选的使用基于sin基1
×
2多模耦合干涉仪(sin-basedmultimodeinterferometer,sin-mmi)的树形结构实现。
12.作为本发明的优选方案，所述sin-ottdl1和sin-ottdl2均为阵列开关切换延时线结构，其光开关均为基于马赫曾德尔结构和热光效应的2
×
2氮化硅光开关sin-os；
13.其中，sin-ottdl1为基于非色散单模波导的sin-ottdl，sin-ottdl2为sin基啁啾布拉格光栅(sin-basedchirpedbragggrating,sin-cbg)。
14.作为本发明的优选方案，sin-ottdl1由m 1个2
×
2sin-os(sin-basedopticalswitch,sin-os)和m对延时线-参考波导组成，每两个2
×
2sin-os中间的上下臂分别连接了一根延时线和一个参考波导，其延时波导和参考波导均为sin单模波导，该延时线共有2m种延时状态；
15.sin-ottdl2由n 1个2
×
2sin-os和n对延时线-参考波导组成，每两个2
×
2sin-os中间的上下臂分别连接了一根延时线和一个参考波导，其延时波导和参考波导分别为sin-cbg和sin单模波导，该延时线共有2n种延时状态。
16.作为本发明的优选方案，每个2
×
2sin-os的上下臂均集成了一个sin定向耦合器
(sin directional coupler,sin-dc)、si-sin层间过渡结构和一个gesi-pd，三者相级联，sin-dc从sin波导中耦合一部分光功率，经si-sin过渡结构输入到锗硅光电探测器(gesi photodetector,gesi-pd)中，通过观察其输出光电流大小监测sin-os的工作状态。
17.作为本发明的优选方案，inp光芯片上dfb激光器阵列输出的光信号经对应的soa放大后，通过光子wire-bonding、端面耦合或倒装焊方式输入到soi光芯片上对应的sin-ops输入端口。
18.作为本发明的优选方案，si-mrm包括sin波导和基于si波导的谐振腔； sin波导作为bus波导，同时作为si-mrm的光输入和输出波导，sin波导与基于si波导的谐振腔通过si-sin波导耦合区耦合；基于si波导的谐振腔中集成了一段pn结移相器，对应天线阵元接收到的射频信号驱动此pn结移相器，从而实现对输入到此si-mrm中的光载波的调制，si-mrm还集成了热光移相器，通过在该热光移相器上施加电压来加热硅波导，实现对si-mrm谐振波长的调控，从而实现对si-mrm工作点的调控；si-sin波导耦合区是一个双层结构，通过改变该结构的重合区域或尺寸，改变其耦合系数，从而调控si-mrm的品质因数，实现对其工作性能的调控。
19.本发明还提供了一种上述可编程二维同时多波束光控相控阵接收机芯片的多波束控制方法，其特征在于：
20.1)对inp光芯片上所有的dfb和soa施加驱动电流，使dfb分别产生波长为λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq的光信号并经过对应的soa放大后，耦合到soi光芯片的 sin-ops中；
21.2)每一个sin-ops都具有k个输出端口，每个输出端口均与一个si-mrm 相级联，并且每一个si-mrm的射频输入端均与相控阵天线中的一个阵元的射频输出端相连接，将接收到的射频信号经此si-mrm调制到对应的光载波上，即sin-opsq的第k个输出端口相级联的为si-mrm
kq
，对应的光载波波长为λq，该二维同时多波束光控相控阵接收机芯片对应的相控阵天线阵元规模为k
×
q；
22.3)从si-mrm
k1
至si-mrm
kq
输出的被调制后的光信号输入到sin-wdmk中，合成一路的光信号将依次通过sin-ottdl1k和sin-ottdl2k进行延时；
23.sin-ottdl1k由m 1级2
×
2sin-os和m级延时线-参考波导级联而成，每一级的延时由延时线和参考波导的相对延时决定，第一级相对延时大小为20δt，第二级相对延时大小为21δt，第m级相对延时大小为2
m-1
δt，参考波导和延时线均使用的是sin单模波导，仅通过改变其长度差来实现延时，因此可以认为是无色散延时，即λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq的光信号在延时波导中的延时相同；
24.sin-ottdl2k由n 1级2
×
2sin-os和n级延时线-参考波导级联而成，每一级的延时由延时线和参考波导的相对延时决定，延时线采用色散器件，通过改变色散延时线的长度来调控每一级的相对延时，从而达到λ1至λq之间相对延时差的调控，第一级λ1至λq之间相对延时差为δt，第二级λ1至λq之间相对延时差为21δt，第n级λ1至λq之间相对延时差为2
n-1
δt；
25.4)通过调控对soi光芯片上sin-os的热光移相器的施加电压的大小，可以实现对应相控阵天线的二维波束扫描；通过将sin-ottdl11至sin-ottdl1k所在链路分为多个组合，可以实现多波束的扫描控制；
26.5)经过两级延时线的延时之后，光信号经对应的gesi-pd解调成电信号，并由电合
路器合成之后送入到外部的信号处理单元，完成对信号的分析和检测。
27.本发明采用基于异构集成技术，设计制备基于inp光芯片和soi光芯片的二维多波束光控相控阵芯片。该芯片不仅具有小体积、低功耗、大带宽等性能上的优势，还可以基于外围控制电路和算法实现二维多波束扫描。基于该芯片架构，可以最终实现全光集成的二维同时多波束光控相控阵芯片，真正的将光控相控阵雷达推向小型化和实用化。
附图说明
28.图1是所发明二维同时多波束光控相控阵接收机芯片的整体示意图。
29.图2是soi光芯片上基于载流子耗尽型的si-mrm结构示意图。
30.图3是soi光芯片上sin-ottdl1结构示意图。
31.图4是soi光芯片上sin-ottdl2结构示意图。
32.图5是soi光芯片上sin-os的结构示意图。
33.图6是soi光芯片上si-sin过渡结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
35.如图1所示，二维同时多波束光控相控阵接收机芯片由inp光芯片和soi 光芯片共同组成。
36.本发明在inp光芯片所采用的技术方案是：
37.设计制备inp基光芯片，光芯片上集成了q个dfb激光器和q个soa，分别记作dfb1，dfb2，
…
，dfb
q-1
，dfbq和soa1，soa2，
…
，soa
q-1
，soaq。
38.dfb1，dfb2，
…
，dfb
q-1
，dfbq输出光信号的波长分别为λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq。
39.dfb1，dfb2，
…
，dfb
q-1
，dfbq光输出端分别和soa1，soa2，
…
，soa
q-1
， soaq的输入端连接，即每一个dfb输出的光信号经对应的soa放大后输出。
40.每一个soa输出端都集成了一个inp基端面耦合器(inp edge coupler, inp-gc)，记作inp-gc1，inp-gc2，...，inp-gc
q-1
，inp-gcq用来与soi光芯片进行端面耦合。
41.soi光芯片所采用的技术方案是:
42.soi光芯片上集成了q个氮化硅端面耦合器(sin edge coupler,sin-ec)，记作sin-ec1，sin-ec2，
…
，sin-ec
q-1
，sin-ecq。
43.每个sin-ec后端都级联了一个具有l级1
×
2sin-mmi的sin-ops，记作 sin-opsq。每个sin-ops都有2
l
个输出端口，sin-opsq的输出端记作 sin-ops
q-ok(1≤k≤2
l
，且k为整数)。
44.每个sin-ops
q-ok后都级联一个对应的硅基调制器，硅基调制器可以是基于载流子色散效应的耗尽型马赫曾德尔调制器和微环调制器，也可以是锗硅电吸收调制器。为了实现芯片的高集成密度，优选的使用载流子耗尽型微环调制器 (si-based carrier-depletion ring modulator,si-mrm)，记作si-mrm
kq
(q，l为正整数，1≤k≤2
l
)。
45.soi光芯片上集成了2
l
个1
×
q的sin-wdm，记作sin-wdmk(1≤k≤2
l
)。每个sin-wdm有q个光输入端口，对应的端口记作sin-wdm
kq
，一个光输出端口，即将q路波长不同的光信号
(λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq)合成为一路光信号进行传输。
46.每个sin-wdm光输出端口后连续级联两种不同的sin光真延时线(sin-based opical true time delay line,sin-ottdl)——sin-ottdl1和 sin-ottdl2，记作sin-ottdl1k和sin-ottdl2k(1≤k≤2
l
)。
47.sin-ottdl1k由m 1(m为正整数)个2
×
2sin光开关(sin optical switch, sin-os)和m对延时线-参考波导组成，每两个2
×
2sin-os中间的上下臂分别连接了一根延时线和一个参考波导，其延时波导和参考波导均为sin单模波导，该延时线共有2m种延时状态。
48.sin-ottdl2k由n 1(n为正整数)个2
×
2sin-os和n对延时线-参考波导组成，每两个2
×
2sin-os中间的上下臂分别连接了一根色散延时线和一个参考波导，其延时波导和参考波导分别为氮化硅啁啾布拉格光栅(sin chirped bragggrating,sin-cbg)和sin单模波导，该延时线共有2n种延时状态。
[0049]2×
2sin-os为马赫曾德尔干涉仪结构，由两个2
×
2sin-mmi和两个热光移相臂组成，通过外围控制电路对热光移相臂施加电压可以调控其工作状态。为了完成ottdl中光开关状态监测，每个2
×
2sin-os的上下臂均集成了一个sin 定向耦合器(sin directional coupler,sin-dc)、si-sin层间过渡结构和一个 gesi-pd，这三者按照上述顺序相级联。sin-dc从sin波导中耦合一部分光功率(1％-5％)，经si-sin过渡结构输入到gesi-pd中，通过观察其输出光电流大小监测sin-os的工作状态。
[0050]
经过连续两级sin-ottdl1k和sin-ottdl2k延时后，经过与sin-ottdl2k输出端级联的锗硅光电探测器(gesi photodetector,gesi-pd)解调成电信号，该 gesi-pd记作gesi-pdk(1≤k≤2
l
)。
[0051]
经k个gesi-pd解调出的电信号经电合成器合成为一路电信号并送入到外围信号处理电路进行信号分析。
[0052]
外围控制电路对片上对应的sin-ottdl1和sin-ottdl2中的sin-os进行调控，可以对其进行可编程化的二维同时多波束扫描控制。
[0053]
该芯片的对应的相控阵规模为q
×
k，最多可同时调控k个1
×
q的波束。
[0054]
在本实施例中，光信号在sin-wg和si-wg之间耦合时需要的层间耦合结构(sin-si层间过渡结构)的三维示意图如图6所示。所述sin-si层间过渡结构是用来将光信号从氮化硅基光波导耦合入硅基光波导或者从硅基光波导耦合入氮化硅基光波导。
[0055]
以下介绍本发明的多波束控制流程：
[0056]
对inp光芯片上所有的dfb(dfb1，dfb2，...，dfb
q-1
，dfbq)激光器和 soa(soa1，soa2，...，soa
q-1
，soaq)施加驱动电流，使激光器分别产生波长为λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq的光信号并经过对应的soa放大后，通过inp-gc与soi光芯片上的sin-gc耦合到soi光芯片的sin-ops1，sin-ops2，...，sin-ops
q-1
， sin-opsq中。
[0057]
如图1所示，每一个sin-ops都具有k个输出端口，每个输出端口均与一个si-mrm相级联，并且每一个si-mrm的射频输入端均与相控阵天线中的一个阵元的射频输出端相连接，将接收到的射频信号经此si-mrm调制到对应的光载波上，即sin-opsq的第k个输出端口相级联的为si-mrm
kq
，对应的光载波波长为λq。因此，该二维同时多波束光控相控阵接收机芯片对应的相控阵天线阵元规模为k
×
q。
[0058]
如图2所示，si-mrm由一个sin波导作为bus波导，作为si-mrm的输入端和输出端。
基于si波导的谐振腔中集成了一段pn结移相器，每一个天线阵元接收到的射频信号驱动此移相器，从而实现对应光载波的调制。此外，si-mrm还集成了热光移相器，通过在该热光移相器上施加电压来加热硅波导，实现对si-mrm谐振波长的调控，从而实现对si-mrm工作点的调控。si-sin波导耦合区是一个双层结构，通过改变该结构的重合区域或尺寸，改变其耦合系数，从而调控si-mrm的品质因数，实现对其工作性能的调控，例如调制深度和调制带宽。si-mrm工作性能的调控将根据外部系统性能的需要进行调整。
[0059]
如图1所示，从si-mrm
k1
至si-mrm
kq
输出的被调制后的光信号输入到sin-wdmk中，合成一路的光信号将依次通过sin-ottdl1k和sin-ottdl2k进行延时。
[0060]
如图3所示，sin-ottdl1k由m 1级2
×
2sin-os和m级延时线-参考波导级联而成。每一级的延时由延时线和参考波导的相对延时决定，第一级相对延时大小为20δt，第二级相对延时大小为21δt，第m级相对延时大小为2
m-1
δt。这里的参考波导和延时线均使用的是sin单模波导，仅通过改变其长度差来实现延时，因此可以认为是无色散延时，即λ1,λ2,
…
,λ
q-1
,λq的光信号在延时波导中的延时相同。
[0061]
如图4所示，sin-ottdl2k由n 1级2
×
2sin-os和n级延时线-参考波导级联而成。每一级的延时由延时线和参考波导的相对延时决定，这里的延时线采用色散器件(即色散延时线)。波长间隔为δλ的两个光信号，在长度为l，色散系数为d(λ)的色散延时线中产生的相对延时差为δt＝δλ
×
d(λ)
×
l。这里我们定义sin-ottdl2k中的δt＝(λ
q-λ1)
×
d(λ)
×
l，这里定义色散延时线的单位长度为l＝1mm。这里通过改变色散延时线的长度来调控每一级的相对延时，从而达到λ1至λq之间相对延时差的调控。第一级λ1至λq之间相对延时差为δt，第二级λ1至λq之间相对延时差为21δt，第n级λ1至λq之间相对延时差为2
n-1
δt。
[0062]
如图5所示，2
×
2sin-os由两个2
×
2sin-mmi和两个sin热光移相器相互级联构成。每个2
×
2sin-os的两个输出端分别集成了一个sin定向耦合器(sindirectionalcoupler,sin-dc)，将对应输出端的光功率耦合出一部分(1％-5％)，并通过sin-si的过渡结构耦合入gesi-pd中。通过调控在sin-os上的热光移相器的施加电压大小可以调控光信号在两个端口之间切换，从而实现延时调控的目的。同时，根据对应gesi-pd光电流的大小可以时时监测对应sin-os的工作状态。当光信号从sin-os的上臂输出端输出，即走延时路径时，上臂对应的gesi-pd的光电流达到最大，同时下臂对应的gesi-pd的光电流达到最小。
[0063]
通过调控对soi光芯片上sin-os的热光移相器的施加电压的大小，可以实现对应相控阵天线的二维波束扫描。
[0064]
以笛卡尔坐标系为标准坐标系，与天线阵垂直向上的方向为z坐标。调控sin-ottdl1中sin-os的工作状态可以调控波束在x-o-z方向扫描，调控sin-ottdl2中sin-os的工作状态可以调控波束在y-o-z方向扫描。
[0065]
通过将sin-ottdl11至sin-ottdl1k所在链路分为多个组合，可以实现多波束的扫描控制。例如，将sin-ottdl11至sin-ottdl1
k/2
所在链路看做一个整体，sin-ottdl11至sin-ottdl1
k/2
所在链路看做一个整体，通过调控soi光芯片上的sin-os的光开关状态就可以实现二维同时两个波束的扫描。
[0066]
经过两级延时线的延时之后，光信号经对应的gesi-pd解调成电信号，并由电合路器合成之后送入到外部的信号处理单元，完成对信号的分析和检测。
[0067]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。