一種包含雙環(huán)耦合硅基光子芯片的微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及微波光子學(xué)領(lǐng)域的微波頻率測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類社會(huì)的發(fā)展使得人類對(duì)信息技術(shù)的依賴逐漸增加，針對(duì)高頻微波信號(hào)的處理 技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。這種需求在民用方面表現(xiàn)為：高頻微波信號(hào)處理對(duì)高速通信 和精密電子測(cè)量設(shè)備至關(guān)重要；在軍事應(yīng)用中表現(xiàn)為：對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中某些微波頻段信號(hào)的 處理，能夠幫助軍方對(duì)特定目標(biāo)實(shí)施搜索、跟蹤、識(shí)別、截獲以及武器制導(dǎo)等應(yīng)用。因此，高 頻微波信號(hào)處理是整個(gè)信息技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0003] 隨著微波頻率逐步提高，傳統(tǒng)的電學(xué)方法在處理40GHz以上高頻微波信號(hào)時(shí)受到 了越來(lái)越大的限制。近年來(lái)，隨著光電子學(xué)和光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，以及微波信號(hào)產(chǎn)生和 處理等方面的需求，一個(gè)嶄新的交叉學(xué)科一一微波光子學(xué)隨之形成。利用光學(xué)方法進(jìn)行微 波頻率測(cè)量是微波光子學(xué)領(lǐng)域的重要問(wèn)題，當(dāng)前的微波光子學(xué)研究，更多的考慮光波和微 波相互作用原理，其驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多采用光纖器件和分立光學(xué)器件，而這些器件有著不可集 成、易受外界環(huán)境影響等致命弱點(diǎn)，難以在未來(lái)應(yīng)用中保持穩(wěn)定性能，并實(shí)現(xiàn)低成本。例如 文獻(xiàn)1和2所述方法，均是利用分立的光學(xué)器件完成相關(guān)微波頻率測(cè)量的。利用集成光學(xué) 器件的研究成果，設(shè)計(jì)小尺寸、可調(diào)諧、低成本的微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)是當(dāng)前的一個(gè)重要 課題。該課題涉及到微波光子學(xué)與集成光學(xué)兩個(gè)不同領(lǐng)域。
[0004] 集成光子器件是光電子領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)诠杌牧?構(gòu)成的光學(xué)芯片上已經(jīng)可以制作出光耦合器、光分束器、光濾波器等無(wú)源光學(xué)器件，或是光 調(diào)制器、電光開(kāi)關(guān)等有源光學(xué)器件。由于采用絕緣襯底上娃（Silicon-〇n-lnsulator，s〇l) 技術(shù)的硅基集成器件能夠很好的與CMOS工藝相兼容，因此硅基器件便于大規(guī)模生產(chǎn)且具 有成本優(yōu)勢(shì)，人們希望將光互聯(lián)設(shè)備、光通信和光網(wǎng)絡(luò)中的某些器件集成在單個(gè)硅基光學(xué) 芯片上，最終實(shí)現(xiàn)片上光網(wǎng)絡(luò)（networkonchip，N0C)，從而使集成光學(xué)回路（Photonic integratedcircuits，PIC)像集成電路一樣，能夠提供成本較低、功耗較小且性能穩(wěn)定的 光模塊資源，應(yīng)用在未來(lái)信息傳輸和信息處理當(dāng)中。
[0005] 和光通信領(lǐng)域一樣，微波光子學(xué)這個(gè)新興的領(lǐng)域也希望將光子器件集成化，從而 更好的完成微波光子頻率測(cè)量等功能。文獻(xiàn)3和4提出了基于硅基光子器件實(shí)現(xiàn)微波光子 測(cè)頻的裝置和方法，這些方案將微波光子測(cè)頻系統(tǒng)的集成度大大的提高了，從而更加容易 在實(shí)際中應(yīng)用。文獻(xiàn)3采用馬赫-澤德干涉儀（Mach-Zehnderinterferometer，MZI)結(jié)構(gòu) 的光調(diào)制器和光柵器件的集成來(lái)完成微波光子濾波，如圖1所示；而文獻(xiàn)4采用的是包含兩 個(gè)輸出端口的單個(gè)微環(huán)器件完成微波光子濾波，如圖2所示。
[0006] 以上方案的基本原理和分立的光學(xué)器件進(jìn)行微波光子測(cè)頻的原理基本類似，都是 采用兩個(gè)光電探測(cè)器上的功率比率和微波頻率之間的關(guān)系，來(lái)反推原始微波頻率，但是它 們采用光子集成的方法實(shí)現(xiàn)了微波光子頻率測(cè)量系統(tǒng)的部分光學(xué)器件，從整體上減小了設(shè) 備的體積，提高系統(tǒng)的整體可靠性。然而，從技術(shù)層面上說(shuō)，上述方案還存在一些需要解決 的問(wèn)題：
[0007] 1)方案中最終得到微波的頻率，都需要結(jié)合由光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)決定的一個(gè)比率函 數(shù)A(f)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，另A(fj=A1，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理單元的計(jì)算，從而反推出當(dāng)前 的微波頻率匕。A(fJ往往是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，它由多個(gè)器件參數(shù)決定，而這些器件參 數(shù)是可能隨著外界環(huán)境的變化而改變，如果僅僅根據(jù)靜態(tài)的器件參數(shù)來(lái)確定微波頻率，會(huì) 導(dǎo)致很大的測(cè)量誤差。因此，每間隔一段時(shí)間，需要引入系統(tǒng)的校準(zhǔn)過(guò)程。
[0008] 2)集成光子器件對(duì)外界環(huán)境較為敏感，為保證測(cè)量過(guò)程中器件參數(shù)變化緩慢，仍 需要溫度控制器等裝置來(lái)保持芯片的溫度穩(wěn)定。
[0009] 本發(fā)明將提出一種雙波長(zhǎng)的微波光子頻率測(cè)量裝置，并提出相關(guān)的裝置校正方法 和微波頻率的測(cè)量方法。在未來(lái)的微波光子系統(tǒng)中，為了減小設(shè)備體積，逐步引入集成光學(xué) 器件是一種重要的技術(shù)路線，而集成光學(xué)器件的具體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，也將和微波光子系統(tǒng)的 性能密切相關(guān)。因此，結(jié)合微波光子學(xué)功能的集成光學(xué)器件將是未來(lái)重要的研究?jī)?nèi)容，例 如，微波光子測(cè)頻集成光學(xué)器件。
[0010] 參考文獻(xiàn)：
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[0013] 3.專利：潘時(shí)龍，一種基于光子集成回路的微波頻率瞬時(shí)測(cè)量裝置及方法，授權(quán) 號(hào)：CN102156221B。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0015] 針對(duì)【背景技術(shù)】中的需求，本發(fā)明的目的在于提供一種雙波長(zhǎng)的微波光子頻率測(cè)量 裝置，以及一種微波光子頻率測(cè)量裝置的校正方法和基于此裝置的微波頻率測(cè)量方法。
[0016] 本發(fā)明提供的微波頻率測(cè)量系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括：連續(xù)雙波長(zhǎng)可 調(diào)諧激光光源（10)，用于提供微波光子系統(tǒng)用的基本光源；硅基光子芯片（20)，該芯片包 含電光調(diào)制功能；溫度控制器（25)，用來(lái)控制硅基光子芯片的溫度，保證相關(guān)光濾波器的 性能穩(wěn)定；電極（30)，用于將微波放大器輸出微波信號(hào)加載到硅基光子芯片的光調(diào)制單元 上；微波天線（40)，用來(lái)接收微波信號(hào)；微波放大器（50)，用于將微波天線接收到的微波 信號(hào)放大；直流電源（55)，用來(lái)提供硅基光子芯片上光調(diào)制器模塊的直流偏置電壓；光電 探測(cè)器1 (60)，用來(lái)接收光調(diào)制后的一個(gè)激光波長(zhǎng)的信號(hào)光功率；光電探測(cè)器2 (70)，用來(lái) 接收光調(diào)制后的另一個(gè)激光波長(zhǎng)的信號(hào)光功率；數(shù)據(jù)采集與處理單元（80)，用來(lái)對(duì)光電探 測(cè)器1和光電探測(cè)器2測(cè)量得到的光功率值進(jìn)行分析，并最終得到所測(cè)微波頻率；存儲(chǔ)器 (90)，用來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)以計(jì)算微波頻率；連接光纖（95)，用來(lái)連接硅基光子芯片與連續(xù) 雙波長(zhǎng)可調(diào)諧激光光源，同時(shí)連接光電探測(cè)器1和光電探測(cè)器2。
[0017] 在本發(fā)明提供的測(cè)量系統(tǒng)中，核心的部分是硅基光子芯片（20)，我們采用了集光 調(diào)制與光濾波為一體的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖4所示，包括光纖到芯片的輸入耦合器（110)，用 于將光纖輸出的光信號(hào)親合進(jìn)入娃基光子芯片；娃基MZI光調(diào)制器模塊（120)，用來(lái)將輸 入的兩個(gè)波長(zhǎng)的激光進(jìn)行電光調(diào)制；雙環(huán)耦合硅基光子濾波模塊（130)，用來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)深 度不同的透射光譜線；硅基波分復(fù)用模塊（140)，用來(lái)分離兩個(gè)調(diào)制后的光波；輸出耦合器 1 (150)，用于將娃基光子芯片輸出的光信號(hào)親合進(jìn)入光電探測(cè)器1 ;輸出親合器2 (160)，用 于將娃基光子芯片輸出的光信號(hào)親合進(jìn)入光電探測(cè)器2。娃基光子芯片（20)中除了集成娃 基MZI光調(diào)制器模塊（120)和硅基波分復(fù)用模塊（140)外，還使用了關(guān)鍵部分雙環(huán)耦合硅 基光子濾波模塊（130)，該模塊的透射譜線不同于已有的單個(gè)微環(huán)的透射譜線，因此，本方 案與文獻(xiàn)4的方案有本質(zhì)差別，而包含兩個(gè)環(huán)波導(dǎo)和兩個(gè)2X2光學(xué)定向耦合器的雙環(huán)耦合 硅基光子濾波器的透射譜線可調(diào)諧，相對(duì)于單環(huán)結(jié)構(gòu)有顯著優(yōu)點(diǎn)，這部分內(nèi)容將在實(shí)施例 中闡述。
[0018] 在本發(fā)明提供的測(cè)量系統(tǒng)中，微波放大器（50)為可調(diào)諧裝置，可以根據(jù)需要來(lái)調(diào) 諧放大器增益，用來(lái)保證加載到硅基光子芯片上的微波信號(hào)功率在允許的范圍內(nèi)。例如， 射頻信號(hào)的功率需要在[_10dBm，0dBm]的范圍內(nèi)，如果微波天線端接收到的射頻信號(hào)功率 在-30dBm，則可以將微波放大器的增益調(diào)諧至20dB，微波天線端接收到的射頻信號(hào)功率 在-10dBm，則可以將微波放大器的增益調(diào)諧至10dB，從而保證射頻信號(hào)的功率在[-10dBm， OdBm]的范圍內(nèi)。
[0019] 考慮到該系統(tǒng)為測(cè)量系統(tǒng)，為保證精度，必須定時(shí)提供系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程，其方法如 下：
[0020] a)在未加載微波信號(hào)時(shí)，校正該系統(tǒng)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的功率響應(yīng)，得到該娃基光子芯 片的靜態(tài)透射光譜曲線；
[0021] b)根據(jù)靜態(tài)透射光譜曲線選定兩個(gè)波長(zhǎng)λλ2，作為激光器的兩個(gè)工作波長(zhǎng)；
[0022] c)將某個(gè)頻率f的微波信號(hào)調(diào)制到硅基光子芯片上，同時(shí)記錄兩個(gè)光電探測(cè)器的 功率，用λ2的功率除以λ滿功率，得到比值A(chǔ)(f);
[0023] d)在[0,fj的范圍內(nèi)改變微波信號(hào)頻率f，重復(fù)完成c)，得到不同微波頻率的比 值A(chǔ)(f)，并將其存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，其中，匕為該系統(tǒng)的最大測(cè)量頻率。
[0024] 在這些步驟中，前兩步是關(guān)鍵步驟，其中，a)步驟中硅基光子芯片的靜態(tài)透射光譜 曲線可以按照如下方法得到：
[0025] 1)開(kāi)啟連續(xù)雙波長(zhǎng)可調(diào)諧激光光源的一個(gè)波長(zhǎng)，在其可調(diào)諧范圍內(nèi)連續(xù)變化激光 器波長(zhǎng)；
[0026] 2)記錄不同波長(zhǎng)時(shí)光電探測(cè)器1的光功率和光電探測(cè)器2的光功率；
[0027] 3)將不同波長(zhǎng)時(shí)光電探測(cè)器1的光功率和光電探測(cè)