一种基于宽带连续可调光延迟线的毫米波/太赫兹波束成形芯片及方法

本发明涉及微波光子学、毫米波/太赫兹无线通信与集成光电子，具体涉及一种基于光学宽带连续可调真延迟线架构的光子毫米波/太赫兹波束成形芯片及控制方法。

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/太赫兹无线通信技术将支撑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。毫米波/太赫兹波具备极其丰富的频谱资源，是支撑下一代移动通信网络实现极高速数据传输的核心载波。然而，太赫兹波在自由空间中传输时极易受到大气吸收和尘埃粒子散射的影响，导致信号空间衰减严重。因此，需要采用相控阵技术进行波束成形，通过多天线阵元的信号叠加来大幅提升太赫兹信号的发射功率和空间指向性。

2、传统的毫米波/太赫兹波束成形主要依赖电子相控阵技术。然而，电子学移相器在高频波段面临着巨大的插入损耗问题。同时，电子相控阵存在严重的波束斜视效应：由于其基于单一频率计算恒定的相位差，当传输宽带的毫米波/太赫兹信号时，偏离中心频率的信号分量会指向不同的空间角度，从而导致信号偏离目标方向。

3、采用光学真延迟机制，在光域中引入不随射频频率变化的真实物理时间延迟，是目前从根本上消除宽带波束斜视效应的一种方案。然而，毫米波/太赫兹信号的中心频率极高，要在阵列天线中实现大范围的波束空间偏转，系统对相邻阵元间的延迟调控精度要求较高。现有技术主要包含两类光延迟实现方案，但二者均存在难以突破的技术瓶颈。第一，传统离散延迟调控的级联开关式光学延迟线，为实现高精度延迟步进指标，需集成大量光开关进行多级级联架构设计。该方式不仅会大幅增大芯片尺寸与控制复杂度，额外增设的光开关还会带来显著的光传输损耗，劣化系统整体信噪比；第二，依托微环谐振器慢光效应构建的延迟线，受限于延迟 - 带宽积的固有约束，工作带宽受限严重，难以适配毫米波/太赫兹宽带信号的高速传输与通信应用要求。

4、因此，本领域亟需一种兼顾大工作带宽、高延迟精度与低传输损耗的新型光子毫米波/太赫兹波束成形架构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于宽带连续可调光延迟线的毫米波/太赫兹波束成形芯片及方法。现有的太赫兹波束成形方案中，传统的电控相控阵存在严重的宽带“波束斜视”问题；而采用离散延迟调节的光学级联开关延迟线（如多比特 n-bit 结构）时，若要实现满足系统要求的高精度延迟步进，需要较多的光开关级联，这导致芯片结构复杂，增加的光开关会引入高传输损耗。此外，基于微环的延迟线受限于延迟-带宽积，无法满足大带宽需求，现有系统难以兼顾大工作带宽、高延迟调控精度与低插入损耗。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于宽带连续可调光延迟线的毫米波/太赫兹波束成形芯片，包括依次连接的光分束器、连续可调真延迟线阵列以及光电探测器阵列；所述光分束器为1×n树状分束结构，由多级级联的3db耦合器或y分支波导构成，用于将输入的携带数字信息的单边带光信号均匀分为多路相同的光信号；所述连续可调真延迟线阵列包含多个独立的光学延迟通道，用于为每一路光信号提供连续的宽带光学延迟调控；所述光电探测器阵列由n个高速光电探测器组成，其输入端与所述连续可调真延迟线阵列的输出端光耦合连接，用于将经过延迟调控的各路光信号转化为毫米波/太赫兹信号，以驱动后端的相控阵天线。

3、进一步地，所述连续可调真延迟线阵列中的每一个光学延迟通道均由一个n-bit级联开关型延迟线和一个连续可调延迟线构成；所述n-bit开关型延迟线包含n+1个基于mzi的光开关，用于在芯片上切换不同长度的延迟路径，以实现离散式的延迟调节；所述n-bit开关型延迟线可提供从0到(2^n–1)的离散延迟调节；所述连续可调延迟线由两个马赫曾德尔干涉器和一对长度不同的延迟波导级联构成，用于提供在所述离散基础延迟步进量范围内的连续延迟调控；n-bit开关型延迟线和连续可调延迟线级联即可实现整个延迟范围内的无缝连续调控。其中，所述离散开关型延迟线的离散延迟步长与所述连续可调延迟线的最大连续延迟调控量相匹配，且根据相控阵的天线阵列布局及目标波束偏转角度需求，确定相控阵阵元所需的最大延迟总量以及离散开关型延迟线的位数n。

4、进一步地，所述连续可调延迟线由两个马赫曾德尔光开关和延迟波导级联构成，用于提供在所述基础延迟步进量范围内的连续延迟调控，从而组合实现系统所需的总延迟差。所述马赫曾德尔光开关由两个耦合器和一对波导臂构成，每条波导臂上均集成有移相器以控制各自的光相位；定义所述两个马赫曾德尔光开关中两对波导臂之间的光相位差分别为δ1和 δ2，对应的功率耦合系数分别为 k1和k2；当设定所述功率耦合系数满足互补条件，即k1= 1 - k2时，所述连续可调延迟线在其交叉输入输出端口实现连续的光学延迟响应；当设定满足相等条件，k1= k2时，在直通输入输出端口实现连续的光学延迟响应。

5、进一步地，所述光电探测器阵列采用单向载流子传输光电探测器（utc-pd），利用外差拍频直接输出太赫兹信号。

6、本发明还提供了一种基于上述芯片的毫米波/太赫兹波束成形控制方法，其特征在于，利用连续可调延迟线的最大延迟量确定其周期性延迟谱线的自由光谱范围（fsr）；采用载波与边带跨 fsr 调控机制，将单边带信号中的光载波与携带射频信息的宽带光边带分别映射至不同的 fsr 周期内；同时将该光边带的中心频率精准映射落于所述延迟谱线中相邻两个 fsr 中心的反谐振点平坦区域，利用该区域极低的群延迟色散，实现在毫米波/太赫兹频段宽带范围内的高精度延迟调控。

7、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

8、1. 本发明采用开关型延迟线结合连续可调延迟线的复合架构，替代了传统的高复杂度全级联开关结构。该设计缩减了光开关的使用数量，显著降低了单通道延迟线的光信号插入损耗，有效简化了系统的控制复杂度并提升了整体能效，可以实现亚皮秒级（优于0.1 ps）的高精度延迟控制。

9、2. 本发明利用利用马赫曾德尔光开关可以通过调节两臂相位差改变光功率耦合系数的机制，并结合边带-载波跨自由光谱范围调控，将待发射宽带信号的中心频率精准映射至延迟谱线反谐振点附近的平坦区域。该机制在涵盖毫米波/太赫兹通信的宽频率范围内，将各延迟状态的延时误差控制在较低水平，突破了传统延迟线大带宽与高精度不可兼得的瓶颈，且消除了大容量宽带无线通信中的波束斜视问题。

1.一种基于宽带连续可调光延迟线的毫米波/太赫兹波束成形芯片，其特征在于，包括依次连接的光分束器、连续可调真延迟线阵列以及光电探测器阵列；所述光分束器为1×n树状分束结构，由多级级联的3db耦合器或y分支波导构成，用于将输入的携带数字信息的单边带光信号均匀分为多路相同的光信号；所述连续可调真延迟线阵列包含多个独立的光学延迟通道，用于为每一路光信号提供连续的宽带光学延迟调控；所述光电探测器阵列由n个高速光电探测器组成，其输入端与所述连续可调真延迟线阵列的输出端光耦合连接，用于将经过延迟调控的各路光信号转化为毫米波/太赫兹信号，以驱动后端的相控阵天线。

2.根据权利要求1所述的毫米波/太赫兹波束成形芯片，其特征在于，所述连续可调真延迟线阵列中的每一个光学延迟通道均由一个n-bit级联开关型延迟线和一个连续可调延迟线构成；所述n-bit开关型延迟线包含n+1个基于马赫曾德尔干涉器（mzi）的光开关，用于在芯片上切换不同长度的延迟路径，以实现离散式的延迟调节；所述n-bit开关型延迟线可提供从0到(2n–1)的离散延迟调节，其中离散调节的延迟步长；所述连续可调延迟线由两个马赫曾德尔干涉器和一对长度不同的延迟波导级联构成，用于提供在所述离散基础延迟步进量范围内，即0到的连续延迟调控；n-bit开关型延迟线和连续可调延迟线级联即可实现延迟量从0到2n的连续延迟调控。其中，所述离散开关型延迟线的离散延迟步长与所述连续可调延迟线的最大连续延迟调控量相匹配；且根据相控阵的天线阵列布局及目标波束偏转角度需求，确定相控阵阵元所需的最大延迟总量以及离散开关型延迟线的位数n。

3.根据权利要求2所述的毫米波/太赫兹波束成形芯片，其特征在于，所述连续可调延迟线中马赫曾德尔干涉器由两个3db耦合器和一对波导臂构成，每条波导臂上均集成有移相器；通过调节所述移相器的驱动信号改变对应波导臂中的光相位，从而实现对所述马赫曾德尔干涉器各输出端口光功率耦合比的调节。

4.根据权利要求2所述的连续可调延迟线，其特征在于，通过两个马赫曾德尔干涉器中两对波导臂之间的光相位差来调节光功率耦合系数，当所述两个马赫曾德尔干涉器的功率耦合系数满足互补条件时，所述连续可调延迟线在其交叉输出端口可以实现连续调谐的光学延迟响应；当使所述两个马赫曾德尔光开关的功率耦合系数满足相等条件时，所述连续可调延迟线在其直通输出端口可以实现连续调谐的光学延迟响应。所述连续可调延迟线在频域上表现为具有周期性特征的延迟谱线，其中反谐振点附近的延迟较为平坦，可使较大带宽范围内的信号同时获得平坦的延迟量。

5.根据权利要求1所述的毫米波/太赫兹波束成形芯片，其特征在于，所述的高速光电探测器可为单向载流子传输光电探测器（utc-pd）或者pin结构，由iii-v材料或者锗材料实现。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述芯片的毫米波/太赫兹波束成形控制方法，其特征在于，包含以下步骤：确定目标波束偏转角度，并根据系统相控阵天线阵列布局实时计算各阵元所需的目标延迟量；将所述目标延迟量分解为两部分进行分配，一部分由离散开关型延迟线配置为粗调延迟量，另一部分由连续可调延迟线配置为连续调节延迟量；获取输入的单边带光信号的光载波频率与光边带频率；在系统运行中，针对毫米波/太赫兹信号在光域中载波与边带分离的特点，采用跨自由光谱范围延迟调控机制：基于所述连续可调延迟线的自由光谱范围，确保光载波与携带射频信息的宽带光边带在物理上保持隔离，并使其分别映射至相邻的自由光谱范围周期内，且保证所述宽带光边带的中心频率精准对准反谐振点附近的宽带平坦区域；在此映射条件下，通过调节所述连续可调延迟线中马赫曾德尔干涉器波导臂上的移相器驱动信号，改变光功率耦合系数，从而在该平坦区域内连续调节群延迟量，以利用该区域群延迟的高度一致性，在目标范围内实现宽带和高精度的延迟调控。