本發(fā)明涉及微波光子領(lǐng)域與集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基集成任意波形信號(hào)發(fā)生器。

背景技術(shù)：

近年來，利用光子技術(shù)來進(jìn)行微波信號(hào)處理的微波光子學(xué)越來越受到人們的關(guān)注，比如基于光子技術(shù)處理信號(hào)的雷達(dá)、射頻通信、電子測(cè)試、任意信號(hào)產(chǎn)生等領(lǐng)域。利用光載體進(jìn)行微波信號(hào)的處理具有高帶寬，低損耗，速度快，抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

任意波形發(fā)生器是一種能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的微波源，這些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在各種民用或軍用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，比如說雷達(dá)探測(cè)所采用的三角波信號(hào)。由于傳統(tǒng)電學(xué)領(lǐng)域所采用生成三角波的數(shù)字頻率合成技術(shù)或波形存儲(chǔ)直讀技術(shù)所生成的三角波的中心頻率和帶寬(幾個(gè)ghz)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于利用微波光子學(xué)所產(chǎn)生的三角波的中心頻率和帶寬(幾十ghz到上百ghz)，越來越多的基于微波光子學(xué)的任意波形生成方案被提出。然而，這些方案大都是基于分立光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和組合，其穩(wěn)定性和可攜帶型都有一定問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基集成的用于生成任意波形信號(hào)的任意波形發(fā)生器。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種硅基集成任意波形信號(hào)發(fā)生器，包括：激光器，用于產(chǎn)生激光載波；偏振控制器，用于控制所述激光載波的偏振態(tài)；分光模塊，用于將所述激光載波從一束分成多束；調(diào)制模塊，用于對(duì)所述分光模塊輸出的多束激光載波進(jìn)行調(diào)制；模式復(fù)用器，用于將所述多束激光載波耦合至多模波導(dǎo)，產(chǎn)生任意波形光信號(hào)；探測(cè)器，用于將多模波導(dǎo)輸出的任意波形光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

在一些實(shí)施例中，所述分光模塊包括n-1路1×2多模干涉光耦合器；對(duì)于每路1×2多模干涉光耦合器，其輸入端連接上一路1×2多模干涉光耦合器的第二輸出端，其第一輸出端連接調(diào)制模塊，其第二輸出端連接下一路調(diào)制模塊的輸入端；其中，第一路1×2多模干涉光耦合器的輸入端連接偏振控制器；第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一輸出端和第二輸出端均連接調(diào)制模塊。

在一些實(shí)施例中，所述調(diào)制模塊包括n個(gè)調(diào)制支路；對(duì)于第一至第n-1調(diào)制支路，其分別對(duì)應(yīng)連接第一至第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一輸出端；第n調(diào)制支路連接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第二輸出端。

在一些實(shí)施例中，每個(gè)所述調(diào)制支路包括：馬赫曾德電光調(diào)制器，用于將微波信號(hào)調(diào)制到激光；相位延遲器，用于調(diào)節(jié)激光的相位差；可調(diào)諧光衰減器，用于調(diào)節(jié)激光的強(qiáng)度。

在一些實(shí)施例中，所述馬赫曾德電光調(diào)制器為雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德電光調(diào)制器，包括上臂和下臂，每個(gè)臂包括一驅(qū)動(dòng)電極，所述上臂的驅(qū)動(dòng)電極連接有光相位延遲器，所述光相位延遲器連接有直流電源；微波信號(hào)經(jīng)功分器分為兩路，其中一路直接連接所述上臂，另一路經(jīng)電相位延遲器連接至所述下臂。

在一些實(shí)施例中，所述多模波導(dǎo)分為n段；第一段多模波導(dǎo)，用于第一調(diào)制支路輸出的激光以第一模式傳播；第二段多模波導(dǎo)，用于第二調(diào)制支路輸出的激光以第二模式傳播，并與第一模式傳播的激光合并；以此類推，第n段多模波導(dǎo)，用于第n調(diào)制支路輸出的激光以第n模式傳播，與第一、第二直至第n-1模式傳播的激光合并，耦合為任意波形光信號(hào)。

在一些實(shí)施例中，所述第一模式為橫電場(chǎng)基模，所述第二模式為橫電場(chǎng)一階模，所述第n模式為橫電場(chǎng)n-1階模。

在一些實(shí)施例中，所述分光模塊、調(diào)制模塊、模式復(fù)用器和探測(cè)器集成于硅光芯片。

在一些實(shí)施例中，所述激光器和偏振控制器集成于硅光芯片，或者分立于硅光芯片外，通過光纖相連。

在一些實(shí)施例中，所述分光模塊包括1×n的多模干涉耦合器。

(三)有益效果

由上述方案可以看出，本發(fā)明利用硅波導(dǎo)的模式正交性實(shí)現(xiàn)任意波形合成；利用硅光芯片的高折射率差和易集成性，將部分或全部部件集成在硅光芯片上，相對(duì)于傳統(tǒng)的微波光子學(xué)任意波形生成器，其尺寸大大縮小，降低了制造成本，提高了穩(wěn)定性和可攜帶型。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例硅基集成任意波形信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例硅基集成任意波形信號(hào)發(fā)生器的另一結(jié)構(gòu)示意圖。

【符號(hào)說明】

1-激光器；2-偏振控制器；3、7-1×2多模干涉光耦合器；4、8、11-馬赫曾德電光調(diào)制器；5、9、12-相位延遲器；6、10、13-可調(diào)諧光衰減器；14-模式復(fù)用器；15-探測(cè)器；16-功分器；17-驅(qū)動(dòng)電極；18-光相位延遲器；19-電相位延遲器。

具體實(shí)施方式

近年來廣泛研究的硅基光子集成技術(shù)和硅基模分復(fù)用為在硅光芯片上直接合成任意波形提供了一種解決方案，本發(fā)明基于此，提供了一種硅基集成的用于生成任意波形信號(hào)的任意波形發(fā)生器。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的硅基集成任意波形信號(hào)發(fā)生器，包括：激光器1、偏振控制器2、分光模塊、調(diào)制模塊、模式復(fù)用器14和探測(cè)器15。

激光器1用于產(chǎn)生激光載波。偏振控制器2用于控制激光載波的偏振態(tài)。分光模塊用于將一個(gè)輸入光按比例分束為多個(gè)輸出光，其將偏振控制器2輸出的激光載波從一束分成多束。調(diào)制模塊分別對(duì)分光模塊輸出的每束激光載波進(jìn)行調(diào)制，生成多束已調(diào)激光。模式復(fù)用器14將多束已調(diào)激光耦合至多模波導(dǎo)，產(chǎn)生任意波形光信號(hào)；探測(cè)器15用于將多模波導(dǎo)輸出的任意波形光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)波形的電信號(hào)。

本實(shí)施例中，激光器1產(chǎn)生線偏振激光，該線偏振激光作為載波供后續(xù)調(diào)制模塊進(jìn)行調(diào)制。進(jìn)一步地，如圖1所示，本實(shí)施例的分光模塊包括多路1×2多模干涉光耦合器3、7，其中，除第一路和最后一路1×2多模干涉光耦合器外，對(duì)于每路1×2多模干涉光耦合器，其輸入端連接上一路1×2多模干涉光耦合器的第二輸出端，其第一輸出端連接調(diào)制模塊，其第二輸出端連接下一路調(diào)制模塊的輸入端；第一路1×2多模干涉光耦合器的輸入端連接偏振控制器2，用以接收偏振控制器2輸出的激光載波；最后一路1×2多模干涉光耦合器的第一輸出端和第二輸出端均連接調(diào)制模塊。

本實(shí)施例的調(diào)制模塊包括多個(gè)調(diào)制支路，分別對(duì)應(yīng)連接分光模塊的多個(gè)輸出端，用以接收分光模塊輸出的多束激光載波。

對(duì)于本實(shí)施例的任意波形信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)調(diào)制模塊包括n個(gè)調(diào)制支路時(shí)，分光模塊應(yīng)包括n-1個(gè)1×2多模干涉光耦合器。第一調(diào)制支路連接第一路1×2多模干涉光耦合器的第一輸出端，第二調(diào)制支路連接第二路1×2多模干涉光耦合器的第一輸出端，以此類推，第n-1調(diào)制支路連接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一輸出端，第n調(diào)制支路連接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第二輸出端；第一路1×2多模干涉光耦合器的第二輸出端連接第二路1×2多模干涉光耦合器的輸入端，第二路1×2多模干涉光耦合器的第二輸出端連接第三路1×2多模干涉光耦合器的輸入端，以此類推，從而實(shí)現(xiàn)n-1個(gè)1×2多模干涉光耦合器將輸入激光載波分束為n路輸出激光載波，并由對(duì)應(yīng)的n個(gè)調(diào)制支路對(duì)激光載波進(jìn)行調(diào)制。在本實(shí)施例中n為大于等于2的自然數(shù)，即任意波形信號(hào)發(fā)生器至少包括1個(gè)1×2多模干涉光耦合器和兩個(gè)調(diào)制支路；1×2多模干涉光耦合器優(yōu)選按照1∶1的比例進(jìn)行分光。

進(jìn)一步地，如圖1所示，本實(shí)施例調(diào)制模塊的每個(gè)調(diào)制支路包括馬赫曾德電光調(diào)制器、相位延遲器和可調(diào)諧光衰減器。

馬赫曾德電光調(diào)制器4、8、11接收微波信號(hào)，將微波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)調(diào)制激光載波。相位延遲器5、9、12接收馬赫曾德電光調(diào)制器4、8、11輸出的已調(diào)激光，調(diào)節(jié)激光的相位，以調(diào)節(jié)n個(gè)調(diào)制支路的已調(diào)激光之間的相位差?？烧{(diào)諧光衰減器6、10、13接收相位延遲器5、9、12輸出的已調(diào)激光，對(duì)已調(diào)激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輸出至模式復(fù)用器14。

在本實(shí)施例中，馬赫曾德電光調(diào)制器4、8、11的調(diào)制方式為單邊帶調(diào)制，通過調(diào)節(jié)電信號(hào)相位延遲和光信號(hào)相位延遲來實(shí)現(xiàn)。參見圖2，馬赫曾德電光調(diào)制器優(yōu)選為高速雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德電光調(diào)制器，其包括上臂和下臂，每個(gè)臂包括一驅(qū)動(dòng)電極17。輸入的微波信號(hào)(rf)經(jīng)功分器16分為兩路，其中一路直接連接上臂，另一路經(jīng)電相位延遲器19連接至下臂。上臂的驅(qū)動(dòng)電極后還連接有光相位延遲器18，該光相位延遲器18連接有直流電源(dc)。

高速雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德電光調(diào)制器采用以下方式對(duì)激光載波進(jìn)行微波信號(hào)的調(diào)制：其輸入端(in)輸入的激光載波分為兩路，分別進(jìn)入上臂和下臂，微波信號(hào)等分為兩路，其中一路直接加到上臂，另一路經(jīng)電相位延遲器加到下臂，通過對(duì)電相位延遲器和光相位延遲器的調(diào)節(jié)，其輸出端(out)產(chǎn)生單邊帶微波調(diào)制激光。

相位延遲器5、9、12利用硅光中的熱光效應(yīng)改變硅波導(dǎo)材料的折射率，折射率改變的大小可調(diào)諧，以調(diào)節(jié)已調(diào)激光的相位，使n路已調(diào)激光耦合到多模波導(dǎo)后的相位差為零。

可調(diào)諧光衰減器6、10、13采用馬赫曾德干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其利用熱光效應(yīng)改變硅波導(dǎo)材料的折射率，折射率改變的大小可調(diào)諧，調(diào)節(jié)已調(diào)激光的強(qiáng)度，使n路已調(diào)激光的強(qiáng)度形成一定比例。

除模式復(fù)用器采用的多模波導(dǎo)外，傳輸波導(dǎo)僅支持橫電場(chǎng)基模傳輸。模式復(fù)用器的多模波導(dǎo)分段支持不同數(shù)目的橫電場(chǎng)模式。多模波導(dǎo)分為n段，分別對(duì)應(yīng)n個(gè)調(diào)制支路輸出的已調(diào)激光。第一段多模波導(dǎo)支持第一模式傳輸，第二段多模波導(dǎo)支持第一模式和第二模式傳輸，依次類推，第n段多模波導(dǎo)支持第一模式至第n模式傳輸。

具體來說，第一調(diào)制支路輸出的已調(diào)激光在第一段多模波導(dǎo)以第一模式傳播，第二調(diào)制支路輸出的已調(diào)激光在第二段多模波導(dǎo)以第二模式傳播，與第一模式傳播的已調(diào)激光在第二段多模波導(dǎo)合并；以此類推；第n調(diào)制支路輸出的已調(diào)激光在第n段多模波導(dǎo)以第n模式傳播，與第一、第二、直至第n-1模式傳播的已調(diào)激光在第n段多模波導(dǎo)合并，耦合為任意波形光信號(hào)。模式復(fù)用器利用基模波導(dǎo)和不同寬度的波導(dǎo)耦合到寬波導(dǎo)中產(chǎn)生不同模式的光，寬波導(dǎo)與基模波導(dǎo)高度，但寬波導(dǎo)的寬度大于基模波導(dǎo)，多模波導(dǎo)由不同寬度的波導(dǎo)連接形成，將n路已調(diào)激光耦合到多模波導(dǎo)里以不同模式傳播，從而產(chǎn)生任意波形光信號(hào)。

優(yōu)選地，上述傳輸模式為橫電場(chǎng)各階模，具體來說，第一模式為橫電場(chǎng)基模，第二模式為橫電場(chǎng)一階模，依次類推，第n模式為橫電場(chǎng)n-1階模。

探測(cè)器15利用光吸收產(chǎn)生載流子，形成隨激光光強(qiáng)變化的電流，實(shí)現(xiàn)將多模波導(dǎo)輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

本實(shí)施例的任意波形信號(hào)發(fā)生器的所有部件集成一體，通過在絕緣體上加工硅材料或基于硅的衍生加工方式制備，例如混合材料加工。其中的激光器1和偏振控制器2也可以不與其他部件集成一體，而是外置分立。

雖然圖1所示調(diào)制支路的馬赫曾德電光調(diào)制器、相位延遲器和可調(diào)諧光衰減器為順次相接，但本發(fā)明并不限于此，實(shí)際上，這三者的連接順序并無限制，各自的位置可以互換，也可以是相位延遲器、可調(diào)諧光衰減器和馬赫曾德電光調(diào)制器順次相接，或者相位延遲器、馬赫曾德電光調(diào)制器、可調(diào)諧光衰減器順次相接等，均可以實(shí)現(xiàn)相同的功能。

分光模塊還可以采用1×n的多模干涉耦合器，代替1×2多模干涉光耦合器，其同樣可以實(shí)現(xiàn)將一束激光載波分束為n束激光載波。

以下以生成三角波為例，對(duì)本實(shí)施例的任意波形信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行進(jìn)一步說明。

對(duì)一個(gè)頻率為ω的三角波進(jìn)行傅里葉展開，可以得到

由于頻率為5ω的分量及更高頻的分量，其幅值過小，因此只考慮上述展開式的前兩項(xiàng)，也就是說在此示例中只采取兩路光路來合成一個(gè)三角波。

如圖3所示，一束線偏振的激光(頻率為ω0)由激光器1射出。經(jīng)由偏振控制器2旋轉(zhuǎn)激光的偏振態(tài)，使激光耦合進(jìn)硅光芯片后以橫電場(chǎng)基模傳輸來降低傳輸損耗。偏振控制器2輸出的激光進(jìn)入1×2多模干涉耦合器3，等分成兩束激光。一束激光進(jìn)入第一調(diào)制支路的高速雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器4，調(diào)制成為頻域只有一個(gè)邊帶且其頻率為(ω0+ω或ω0-ω)的激光信號(hào)a1。另一束激光進(jìn)入第二調(diào)制支路，對(duì)其進(jìn)行微波頻率為3ω的調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)頻域只有一個(gè)邊帶且其頻率為(ω0+3ω或ω0-3ω)的激光信號(hào)a2。激光信號(hào)a1和a2通過模式復(fù)用器14耦合到一根多模波導(dǎo)里，送入集成在硅光芯片上的探測(cè)器15，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在第二調(diào)制支路中，為了得到理想的三角波信號(hào)，利用可調(diào)諧光衰減器10對(duì)激光信號(hào)a2進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，使其耦合到多模波導(dǎo)的強(qiáng)度為激光信號(hào)a1耦合到多模波導(dǎo)的強(qiáng)度的1/9(約-9.5db)，再利用相位延時(shí)器9對(duì)激光信號(hào)a2的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激光信號(hào)a1和a2的相位一致。

利用圖2所示的雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制。將一束微波信號(hào)一分為二，其中一路引入相位為的電相位延遲加在下臂，另一路直接加在上臂。上臂包括一熱調(diào)光相位延遲器，可引入一個(gè)相位為θ的光相位延遲，最后對(duì)雙臂驅(qū)動(dòng)馬赫曾德調(diào)制器輸出的光做貝塞爾展開，且省略高階項(xiàng)可得：

其中，e0是光的振幅，j0和j1是零階和一階第一類貝塞爾函數(shù)，β是相位調(diào)制系數(shù)。通過調(diào)節(jié)電相位延遲和光相位延遲，將上述表達(dá)式右邊后面兩項(xiàng)中其中一項(xiàng)的消去，從而實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制。

以上，對(duì)本發(fā)明的硅基集成任意波形信號(hào)發(fā)生器生成特定頻率的三角波的過程進(jìn)行了說明，對(duì)于其他任意波形，也可以此方式進(jìn)行或以本方式的特征進(jìn)行任意組合實(shí)現(xiàn)。對(duì)于任意波形，通過傅里葉變換成不同頻率的正弦或余弦波的疊加，對(duì)各路激光信號(hào)進(jìn)行不同頻率的正弦或余弦微波調(diào)制，再利用多模波導(dǎo)合成，就可以得到任意波形的光信號(hào)，再利用片上探測(cè)器，就可以得到任意波形微波電信號(hào)。

本發(fā)明利用光波導(dǎo)中的模式復(fù)用和硅基集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)片上集成波形發(fā)生器，提高了器件的可靠性和便攜性。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。