[发明专利]一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片

说明书

本发明提供一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，在单个芯片上集成了高速电光调制器、可调谐微盘光滤波器、光移相器、高速光电探测器等多个核心关键光电器件，并提出融合等离子体色散效应和热光效应的复合光相位调控机制，对快速光移相器进行电光与热光调制，可实现对宽带射频信号相位在360°大范围内的高速、精细调节。

技术领域

本发明属于硅基光电子学与微波光子学领域，尤其涉及一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片。

背景技术

随着相控阵雷达系统、电子对抗、卫星通信系统等先进科学技术领域的快速发展，微波光子移相器作为一种重要微波信号光学处理器件，引起了国内外各个研究团队和国防部门的广泛关注，它通过利用现代光子器件和光学技术在光域对微波信号进行相位控制和处理，具有高频宽带、大范围移相、低输出功率抖动、体积小、质量轻、抗电磁干扰等显著优势，成为了未来高频宽带微波移相技术最具潜力的解决方式。

目前，微波光子移相器的实现方式主要包括光学真时延、矢量和技术、外差混频技术等。基于光学真时延的微波光子移相器，能够克服传统电学移相器波束偏斜问题，但其结构复杂，相位调节精度较低。矢量和技术通过改变两路叠加信号的强度和相位信息，可以实现合成微波信号相位的灵活调控，但是存在移相范围受限和输出射频功率波动较大等问题。外差混频技术通过改变光载波和调制边带之间的相位差，利用高速光电探测器进行光电转换，实现光信号相位变化到微波信号相位变化的线性映射，可以实现360度范围内相移连续调控。目前，现有微波光子移相器方案大都基于分立光电子器件实现，存在结构复杂、体积大、功耗高、稳定性差等问题，限制了其在大规模相控阵系统等场景中的应用。

随着超大规模、超精细光子集成技术的快速发展，集成化、芯片化成为微波光子移相器的必然发展趋势。通过在单个芯片上高密度集成电光调制器、光移相器、光电探测器等核心关键光电器件，可显著减小微波光子系统体积、降低功耗和成本、提高系统可靠性。同时，超精细微纳波导结构可以增强光、电、热等多维物理场之间的相互作用，可实现片上光域内对微波信号相位的精细敏捷调控。

目前，主流光子集成工艺平台包括氮化硅(Si₃N₄)、Ⅲ-Ⅴ族磷化铟(InP)和硅基光子(SiP)三类。其中，硅基光子平台具有独特而均衡的优势：硅与二氧化硅间的大折射率差能够保证硅光器件的性能和结构紧凑性；硅基光子系统全要素集成度高，目前已证明了除高性能激光器外的全系统硅基光电子有源与无源器件集成；硅基光电子技术工艺与现有互补-金属-氧化物半导体工艺技术兼容，易于实现大规模光子线路制造与同电子线路混合集成。

目前，主流的硅基微波光子移相器大都基于外差混频架构实现，采用微环谐振腔、微盘谐振腔、波导布拉格光栅、硅基光波导等结构实现光波移相，利用光电转换技术实现光波移相到微波移相的线性映射。然而，现有方案大都基于单一的电光或者热光调谐机制，难以实现微波信号相位的大范围、高速、精细调控，而且主要聚焦于无源光波移相单元的研究，存在集成度低等不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，能够实现对宽带射频信号相位在360°范围内的高速精细调制。

一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，包括电光调制器2、第一微盘滤波器3、第二微盘滤波器4、光移相器5、1×2光耦合器6以及光电探测器8；其中，所述光移相器5由基于等离子体色散效应的电光调制区与基于热光效应的热光调制区构成；

所述电光调制器2用于根据自身加载的射频信号对外部输入的连续光信号进行单边带调制，得到单边带调制信号；所述第一微盘滤波器3用于分离单边带调制信号中的光载波分量和正一阶边带分量，其中，光载波分量进入光移相器5，并由光移相器5通过等离子体色散效应与热光效应分别进行电光调制与热光调制，得到加载了移相量的光载波分量；移相后的光载波分量经由第二微盘滤波器4输出后，与所述正一阶边带分量合束，得到合束光信号；第一微盘滤波器3与第二微盘滤波器4的谐振频率均与光载波分量的载波频率相同；