一种高稳定光子毫米波/太赫兹信号生成芯片及其信号生成方法

本发明涉及集成光子技术、微波光子学、太赫兹通信与射频微波，具体涉及一种基于共腔双波长自注入锁定激光器的高稳定光子毫米波/太赫兹信号生成芯片与方法，尤其适用于第六代移动通信（6g）中的超高速无线通信、高分辨率雷达、短距离大容量传输以及高精度感知等应用场景。

背景技术：

1、随着6g通信技术向 “万物智联” 演进，单设备流量指数级增长对通信速率、延时和可靠性提出了严苛要求，推动了更宽频谱的使用需求。预计 2030 年左右，毫米波/太赫兹通信技术将支撑6g网络实现tbps的峰值速率和10～100 gbps的体验速率，成为破解未来通信容量瓶颈的核心支撑。毫米波/太赫兹波凭借丰富的频谱资源、超宽带传输潜力及高精度定位感知能力，在 6g 移动通信、高分辨率雷达、超高速短距传输等领域具有不可替代的优势，而毫米波/太赫兹信号的高效、稳定生成是这些应用的基础，是毫米波/太赫兹通信技术从实验室走向实际部署的核心突破口，因此成为全球6g技术竞争的关键之一。

2、目前，毫米波/太赫兹信号的产生及处理主要有电子学和光子学两大技术体系。前者基于电子器件，具有小型化、集成化的优点，能够支持大功率信号辐射。然而，其系统容量受限于电子器件工作带宽、调制效率以及谐波干扰等因素，尤其是电子器件高频段的性能瓶颈，难以满足未来高速、大容量通信的需求。后者则利用光子学原理产生和处理毫米波/太赫兹信号，具有超宽带、灵活可重构、谐波干扰小等特点，更有利于实现超高速无线通信。

3、当前光子毫米波/太赫兹信号主要由光电外差拍频和量子级联激光器(qcl)等方法产生，qcl方案虽然可以产生频率1 thz以上的毫米波/太赫兹信号，但由于需要工作在低温状态，限制了其在实际系统中的应用。光电外差拍频法是将两束频率接近的激光在utc-pd或光电导天线（pc天线）中混合，来产生频率等于它们频率差的毫米波/太赫兹光电流。相比于pc天线，utc-pd的效率和输出功率更高，更适用于毫米波/太赫兹通信应用。

4、在利用光学外差拍频产生毫米波/太赫兹信号的过程中，信号的频率噪声往往是两个独立激光器（载波与参考光）各自噪声的叠加。受限于传统半导体激光器的线宽，且两个自由运行的激光器存在随机的频率漂移，导致最终生成的毫米波/太赫兹信号存在严重的相位噪声恶化问题 。进一步而言，芯片级激光器的主要频率噪声来源之一是热折射率噪声（trn），微环波导的温度抖动会引起折射率的持续波动，进而造成谐振频率的抖动 。由于两个独立自注入锁定激光器的热折射率噪声毫无关联性，拍频产生的微波信号频率噪声等同于两束激光频率噪声的直接相加，这种trn限制在微环q值提升到一定程度后会变得尤为明显，极大地制约了毫米波/太赫兹通信系统的信号质量和接收灵敏度。

5、从全球技术竞争格局来看，毫米波/太赫兹通信作为6g核心技术方向已成为各国战略布局重点：美国通过 darpa 的 tmic 项目聚焦光子毫米波/太赫兹通信芯片基础研究，欧盟在 “地平线 2020” 框架下启动 thor、teraway 等联合攻关项目推进技术落地，日本则依托 ntt、nict 等机构在 utc-pd 等核心器件领域保持技术领先。国内方面在毫米波/太赫兹信号产生、传输等单点技术上取得阶段性成果，但在毫米波/太赫兹通信这一关键领域仍处于技术探索阶段，尤其缺乏兼顾高频率稳定、高集成度、宽调谐范围与低功耗的光子毫米波/太赫兹信号生成方案。这种技术差距不仅制约了我国 6g 通信技术的整体推进，也在高端通信装备、精密传感等关键领域形成了潜在技术壁垒，因此亟需通过核心技术创新突破现有瓶颈，构建具有自主知识产权的光子毫米波/太赫兹信号生成技术体系，为我国在 6g 全球竞争中抢占先机提供核心支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高稳定、频率可调、高性能的光子毫米波/太赫兹信号生成芯片及方法，旨在解决现有光子辅助毫米波/太赫兹信号生成方案中存在的以下技术问题：第一，两个独立运行的激光器各自具有随机的频率漂移，其热折射率噪声在光电外差拍频过程中相互叠加，导致生成的毫米波/太赫兹信号存在严重的相位噪声恶化与频率稳定性差的问题；第二，传统分立器件间通过光纤耦合引入较大的插入损耗与机械不稳定性，且纯铌酸锂波导因刻蚀粗糙度导致高传输损耗，难以同时兼顾高频率稳定、高集成度、宽调谐范围与低功耗。

2、为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、一种高稳定光子毫米波/太赫兹信号生成芯片，包括：

4、共腔双波长激光器，其包括第一分布式布拉格反射激光器、第二分布式布拉格反射激光器、一个耦合器以及一个高q值微环谐振腔。所述第一分布式布拉格反射激光器的后端输出端和所述第二分布式布拉格反射激光器的后端输出端分别与所述耦合器的两个输入端光耦合连接；所述耦合器的输出端与所述高q值微环谐振腔光耦合连接。所述第一分布式布拉格反射激光器和所述第二分布式布拉格反射激光器输出的两束光信号经所述耦合器注入所述高q值微环谐振腔，所述高q值微环谐振腔产生的反馈光信号经所述耦合器分别返回至对应的分布式布拉格反射激光器，以使所述两束光信号分别自注入锁定在同一个所述高q值微环谐振腔的不同谐振频率上。所述共腔双波长激光器具有第一输出端和第二输出端，分别用于输出两束锁定后的激光。

5、异质集成iq调制器，其输入端与所述共腔双波长激光器的第一输出端光耦合连接，用于对其中一束激光进行数字信号调制，输出已调制光信号。

6、微环合波器，其第一输入端与所述异质集成iq调制器的输出端光耦合连接，其第二输入端与所述共腔双波长激光器的第二输出端光耦合连接，用于将所述已调制光信号与另一束未调制的参考光信号进行合束，并输出合束光信号。

7、单向载流子传输光电探测器，其输入端与所述微环合波器的输出端光耦合连接，用于接收所述合束光信号并通过外差拍频转化为毫米波/太赫兹信号。

8、进一步地，所述分布式布拉格反射激光器包括基于磷化铟材料体系的半导体光放大器和基于氮化硅材料的布拉格光栅。所述半导体光放大器通过微转印技术设置于氮化硅波导上方，且在所述半导体光放大器与所述氮化硅波导之间设有由硅中间层构成的层间耦合器。所述分布式布拉格反射激光器采用尾部出光方式，其前腔面和后腔面的布拉格光栅反射率分别设置为15%和40%；所述布拉格光栅上方配置有加热器，用于热调谐反馈量。

9、进一步地，所述耦合器为2×2马赫曾德尔干涉器，其两个输入端分别与所述第一分布式布拉格反射激光器的后端输出端和所述第二分布式布拉格反射激光器的后端输出端光耦合连接，其输出端与所述高q值微环谐振腔光耦合连接。所述马赫曾德尔干涉器在两个移相臂上均集成微加热器，通过热光效应调节两臂的相位差，可以被看做一个可调萨尼亚克环反射器（tsl），通过加热器改变 mzi 两臂的相位差，就可以连续改变环路的等效耦合系数，从而实现反射率 0~100% 可调，避免两个激光器发生互注入。

10、进一步地，所述高q值微环谐振腔采用宽度为3μm的多模波导构成，其所有弯曲部分均采用欧拉弯曲，在90°弯曲中保持te基模稳定传输，且高阶模激发被抑制至-30db以下。

11、进一步地，所述异质集成iq调制器采用双内嵌马赫-曾德尔调制器结构，由两个独立的等臂马赫-曾德尔调制器并联构成，分别对应加载i路和q路数字信号。所述异质集成iq调制器的移相臂采用薄膜铌酸锂键合在氮化硅波导上方的混合波导方案，其底层为厚度400nm、宽度1μm的氮化硅单模波导，上方键合有厚度300 nm的薄膜铌酸锂平板，构成倒置脊型波导结构。所述异质集成iq调制器中除移相区外的无源光路均采用氮化硅波导构成，其输入端和输出端的3db耦合由1×2多模干涉耦合器实现。

12、进一步地，所述异质集成iq调制器还包括多段式层间耦合器，所述多段式层间耦合器设置于普通氮化硅波导与所述混合波导之间，用于实现两者的低损耗连接。所述多段式层间耦合器由三段线性锥形波导组合而成，其中下方的氮化硅波导沿光传输方向从3μm宽度逐渐收窄至1μm单模宽度，上方的薄膜铌酸锂波导由150nm尖端逐渐展宽至7μm平板结构，以实现光场的绝热演化。所述多段式层间耦合器的物理长度为120μm，并在垂直方向上具有1.5μm的对准容差。

13、进一步地，所述异质集成iq调制器在i分支和q分支分别独立配置有热光移相器，所述热光移相器分别与对应分支的马赫-曾德尔调制器的移相臂光耦合连接，用于控制各自的调制偏置点使其工作于正交点；同时在两个马赫-曾德尔调制器的前端光路中设有第三个热光移相器，用于静态引入π/2相移，确保i分支与q分支信号的严格正交。所述移相臂上方配置有接地-信号-接地结构的行波金属电极，且器件工作于推挽驱动模式。所述行波金属电极的参数为：s电极宽度13.5 μm，g电极宽度100μm，电极厚度1μm，信号与接地电极间隙4.5μm。

14、进一步地，所述单向载流子传输光电探测器异质集成在无源波导上方，采用磷化铟/铟镓砷材料体系或锗硅材料体系。所述单向载流子传输光电探测器在其吸收层与氮化硅波导之间引入折射率匹配的中间材料层，构成双匹配层配置的双台面结构，用于实现光场从氮化硅波导到探测器有源区的绝热演化。所述单向载流子传输光电探测器的吸收区长度为7 μm、宽度为2 μm，响应度为0.65 a/w。

15、进一步地，所述共腔双波长激光器、所述异质集成iq调制器、所述微环合波器和所述单向载流子传输光电探测器通过异质集成工艺集成在同一芯片上。

16、本发明还提供一种基于上述芯片的高稳定光子毫米波/太赫兹信号生成方法，其特点在于，包括如下步骤：

17、通过同一个高q值微环谐振腔作为两束激光的共同反馈元件，使第一分布式布拉格反射激光器和第二分布式布拉格反射激光器输出的两束激光分别自注入锁定在所述高q值微环谐振腔的不同谐振频率上，两束激光因同一微环的折射率抖动而产生相同趋势的频率抖动；

18、将锁定后的一束激光输入异质集成iq调制器进行数字信号调制，得到已调制光信号；将锁定后的另一束激光作为未调制的参考光；

19、将所述已调制光信号与所述参考光通过微环合波器进行合束；

20、将合束后的光信号输入单向载流子传输光电探测器进行外差拍频，生成毫米波/太赫兹信号。

21、其中，利用同一个所述高q值微环谐振腔的热折射率波动的共模特性，使两束激光携带的由所述微环引起的频率噪声在拍频过程中相减抵消，从而输出高稳定、低相位噪声的光子毫米波/太赫兹信号。

22、进一步地，通过热调谐所述分布式布拉格反射激光器的布拉格光栅或所述高q值微环谐振腔的温度，改变两束激光所锁定的谐振峰位置，从而以所述高q值微环谐振腔的自由光谱范围为步进，调谐生成的毫米波/太赫兹信号的频率。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、1.本发明采用共腔自注入锁定机制，使两束不同波长的激光同时锁定在同一个高q值微环谐振腔的不同谐振频率上。由于同一微环的折射率抖动趋势一致，两束激光的频率抖动方向高度相关。在光混频器进行拍频的过程中，利用这种热折射率波动的共模特性，使热噪声发生相减抵消（以220 ghz信号为例，频率抖动可降低约32.4 db），大幅提升了毫米波/太赫兹载波的相位纯度与长期频率稳定性。

25、2.本发明通过利用同一个高q值微环谐振腔作为双波长激光器的反馈锁定元件，拍频生成的毫米波/太赫兹信号频率由微环的不同谐振频率差决定。因此，通过改变两束激光锁定的谐振峰位置，生成的毫米波/太赫兹信号频率可以实现以该高q值微环自由光谱范围（fsr）为倍数的大范围灵活调谐，拓宽了系统的适用频段。

26、3.本发明实现了双波长光源、调制器与单向载流子传输光电探测器（utc-pd）在单一芯片上的异质集成，消除了传统分立器件间光纤耦合带来的巨大插入损耗与机械不稳定性。此外，调制器部分采用了电光薄膜-氮化硅异质集成混合波导结构，其倒置脊型波导设计有效减少了光模式与波导粗糙侧壁的物理交叠，保障了光信号的高效、低损耗传输，结合utc-pd 的高功率输出特性，显著提升了毫米波/太赫兹信号生成的整体性能。