硅基集成光子毫米波和太赫兹的传递系统

1.本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种硅基集成的光子毫米波和太赫兹的传递系统。


背景技术：

2.毫米波信号的带宽资源丰富，能够适应无线通信技术带宽快速增长的需求。毫米波信号质量的好坏很大程度上取决于毫米波信号的相位稳定程度，如何稳定传输毫米波信号在通信系统中尤为重要。
3.在高精度远程时间频率传递方面，目前广泛采用的方法主要有gps共视法以及利用gps卫星双向时间传递比对的方法，其中前者的稳定度为10-13
～10-14
/天，后者的稳定度为10-14
～10-15
/天，但采用这种自由空间微波的方式进行频率传递，其精度已经不能较好的满足高精度的原子钟性能评估以及应用对传递的要求。基于光纤的毫米波传输技术被多次证明是突破现有技术限制、实现长距离传递的一种有效解决方案。而williams等人分析了光纤光学频率传递的性能很大程度上受制于系统带外噪声的影响包括环境温度的变化、用于光学频率传递的光纤器件引入的噪声等。[参见williams p.a.,swann w.c.,and newbury n.r.,2008.high-stability transfer of an optical frequency over long fiber-optic links.opt.soc.am.b 25,1284-1293]。为了克服上述问题，stefani等人利用温控的方式降低环境温度引入的带外噪声[参见stefani,f.,lopez,o.,bercy,a.,lee,w.k.,chardonnet,c.,santarelli,g.,pottie,p.e.and amy-klein,a.,2015.tackling the limits of optical fiber links.josa b,32(5),pp.787-797.]，但其系统复杂，且受制于主从端的频率一致性。
[0004]
利用光子集成技术将频率传递系统集成到片上似乎可以减小带外噪声带来的影响，akatsuka等人将激光中继站集成在了plc芯片上，但是由于plc的折射率差较大，导致集成在芯片上的光器件尺寸较大，对于coms兼容的光电集成有一定限制。[参见akatsuka,t.,goh,t.,imai,h.,oguri,k.,ishizawa,a.,ushijima,i.,ohmae,n.,takamoto,m.,katori,h.,hashimoto,t.and gotoh,h.,2020.optical frequency distribution using laser repeater stations with planar lightwave circuits.optics express,28(7),pp.9186-9197.]


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种硅基集成光子毫米波和太赫兹的传递系统及方法。具有尺寸小、噪声低、结构紧凑、封装简单和可靠性高的优点。
[0006]
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
[0007]
一种硅基集成光子毫米波和太赫兹传递系统，包含本地端、传递链路和用户端，所述的本地端包括第一双微环型波分解复用器、第一y型光耦合器、第二y型光耦合器、第一双平行马赫增德尔型移频器、第二双平行马赫增德尔型移频器、第一偏振旋转分束器、第二偏
振旋转分束器、第三y型光耦合器、第四y型光耦合器、第五y型光耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一二分频器、第一混频器、第二带通滤波器、第四微波功分器、第二微波功分器、第二微波源、第二二分频器、第二混频器、第一带通滤波器、第三微波功分器、第一微波功分器和第一微波源；
[0008]
待传递光载毫米波信号经所述的第一双微环型波分解复用器的第一端口输入，该第一双微环型波分解复用器的第二端口与第一y型光耦合器的第一端口相连，该第一双微环型波分解复用器的第三端口与所述的第二y型光耦合器的第一端口相连；所述的第一y型光耦合器的第三端口与所述的第四y型光耦合器的第一端口相连，该第四y型光耦合器的第三端口与所述的第一光电探测器相连，所述的第一y型光耦合器的第二端口与所述的第一双平行马赫增德尔型移频器的第一端口相连，所述的第一双平行马赫增德尔型移频器的第二端口与所述的第一偏振旋转分束器的第一端口相连，所述的第一偏振旋转分束器的第二端口与所述的第三y型光耦合器的第一端口相连，所述的第一偏振旋转分束器的第三端口与所述的第四y型光耦合器的第二端口相连；所述的第二y型光耦合器的第三端口与所述的第五y型光耦合器的第一端口相连，所述的第五y型光耦合器的第三端口与所述的第二光电探测器相连；
[0009]
所述的第二y型光耦合器的第二端口与所述的第二双平行马赫增德尔型移频器的第一端口相连，所述的第二双平行马赫增德尔型移频器的第二端口与所述的第二偏振旋转分束器的第一端口相连，所述的第二偏振旋转分束器的第二端口与第三y型光耦合器的第二端口相连，所述的第二偏振旋转分束器的第三端口与所述的第五y型光耦合器的第二端口相连，所述的第三y型光耦合器的第三端口与所述的传递链路相连；
[0010]
所述的用户端包括第一偏振控制器、第三双平行马赫增德尔型移频器、第六y型光耦合器和第三微波源；
[0011]
所述的第一偏振控制器的第一端口与所述的传递链路相连，所述的第一偏振控制器的第二端口与所述的第三双平行马赫增德尔型移频器的第一端口相连，所述的第三双平行马赫增德尔型移频器的第二端口与所述的第六y型光耦合器的第一端口相连，所述的第一偏振控制器的第三端口与所述的第六y型光耦合器的第二端口相连，所述的第六y型光耦合器的第三端口输出待传递的频率信号。
[0012]
所述的本地端将待传递的光载毫米波信号经所述的第一双微环型波分解复用器分为两路，分别经第一y型光耦合器、第一双平行马赫增德尔型移频器和第一偏振旋转分束器，第二y型光耦合器、第二双平行马赫增德尔型移频器和第二偏振旋转分束器后经所述的第三y型光耦合器合束后，通过所述的光纤链路传递给所述的用户端；
[0013]
在用户端依次经过所述的第一偏振控制器、第三双平行马赫增德尔型移频器和第六y型光耦合器后输出待传递的频率信号，所述的第三双平行马赫增德尔型移频器由第三微波源提供射频信号；
[0014]
由用户端返回来的光信号经所述的第三y型光耦合器分为两路，一路依次经所述的第一偏振旋转分束器和第四y型光耦合器进入第一光电探测器，另一路依次经过第二偏振旋转分束器和第五y型光耦合器进入第二光电探测器，分别探测往返光学频率信号与本地光学频率信号之间的频率差；
[0015]
所述的第一光电探测器得到的频率信号经第一二分频器后进入第一混频器，所述
的第二光电探测器得到的频率信号经第二二分频器后进入第二混频器；
[0016]
所述的第一微波源输出的射频信号经过第一微波功分器分成两路，一路进入第一混频器，经第二带通滤波器后进入第四微波功分器，另一路进入第二混频器，经过第一带通滤波器后进入第三微波功分器；
[0017]
所述的第二微波源输出的射频信号经过第二微波功分器后分为两路，一路进入第四微波功分器后进入第一双平行马赫增德尔型移频器作为移频信号，另一路进入第三微波功分器后进入第二双平行马赫增德尔型移频器作为移频信号；通过被动补偿前向传递光学频率信号的相位噪声，使用户端获得相位稳定的毫米波信号。
[0018]
所述的本地端和用户端采用cmos集成电路兼容工艺将其所有的构件依次相连地集成在同一芯片上，构成一个完整的片上芯片系统。
[0019]
所述的第一波分解复用单元集成在绝缘体上硅(soi)基底上，包含第一可调微环滤波器、第二可调微环滤波器和1个连接波导。所述的第一可调微环滤波器的输入端和第二可调微环滤波器的输出端作为所述的双微环型波分解复用器的输入端和输出端，所述的第一可调微环滤波器的输出端与所述的连接波导的输入端相连，所述的第二可调微环滤波器的输入端与所述的连接波导的输出端相连；所述的第一可调微环滤波器分别包含1个半径为10微米的跑道型波导和2个直波导，所述的跑道型波导上集成了基于氮化钛的金属热电阻结构，用于相位差的调节；所述的第二可调微环滤波器分别包含1个半径为8微米的跑道型波导和2个直波导，所述的跑道型波导上集成了基于氮化钛的金属热电阻结构，用于相位差的调节，其结构如图1所示，波分信号输入后分别经过两个双微环型可调滤波器得到两个不同波长的解复用信号。
[0020]
所述的第一双平行马赫增德尔型移频器、第二双平行马赫增德尔型移频器、第三双平行马赫增德尔型移频器集成在绝缘体上硅(soi)基底上，包含两个平行的马赫增德尔调制器、1个光分束器、1个光合束器和两个热移相器；所述的光分束器的输入端和光合束器的输出端作为所述双平行马赫增德尔型移频器的输入端和输出端；所述的两个平行的马赫增德尔调制器的输入端口与所述的光合束器的两个输出端相连，所述的两个平行的马赫增德尔调制器的输出端口分别与所述的热移相器的输入端口相连；所述的热移相器的输出端口分别与所述的光分束器的两个输入端口相连；所述的热移相器采用金属热电阻或者波导热电阻结构，用于相位差的调节；所述的马赫增德尔调制器分别包含1个光合束器、1个光分束器和两个连接波导，每个波导上面都集成了基于pin二极管的移相器，用于加载调制信号，也集成了基于金属热电阻或者波导热电阻结构的移相器，用于相位差的调节；所述的光合束器和光分束器可采用多模干涉器结构实现。
[0021]
所述的第一偏振旋转分束器、第二偏振旋转分束器集成在绝缘体上硅(soi)基底上，包含一个渐变脊型波导和一个非对称定向耦合器；所述的偏振旋转分束器的输入端与所述的渐变脊型波导的输入端相连；所述的渐变脊型波导的输出端与所述的非对称定向耦合器的输入端相连；所述的非对称定向耦合器的输出端作为偏振旋转分束器的输出端；所述的渐变脊型波导由于高度方向结构非对称引入模式杂化，通过设计合适的波导尺寸可以将输入tm0偏振光转换为te1模式，te0偏振光保持不变；因此，输入tm0偏振光经过所述的偏振旋转分束器后从下输出端口输出，并且偏振旋转为te0；输入te0偏振光经过所述的偏振旋转分束器后从上输出端口输出，偏振态保持不变。
[0022]
所述的第一偏振控制单元集成在绝缘体上硅(soi)基底上，包含一个偏振旋转分束器、一个马赫增德尔干涉器和两个热移相器；所述的偏振控制器的输入端与所述的偏振旋转分束器的输入端相连；所述的偏振旋转分束器的两个输出端分别与所述的马赫增德尔干涉器的两个输入端相连；所述的马赫增德尔干涉器的两个输出端作为所述的偏振控制器的输出端；所述的两个热移相器，一个集成在所述的偏振旋转分束器与马赫增德尔干涉器的一个连接波导上；另一个集成在所述的马赫增德尔干涉器内的一个波导臂上。所述的热移相器采用金属热电阻或者波导热电阻结构，通过调节上述两个热移相器的相移量可以控制改变任意输入光的偏振方向。
[0023]
所述的第一y型光耦合器、第二y型光耦合器、第三y型光耦合器、第四y型光耦合器、第五y型光耦合器、第六y型光耦合器集成在绝缘体上硅(soi)基底上，采用1
×
2多模干涉器结构以及定向耦合器结构实现。
[0024]
一种硅基集成光子毫米波/太赫兹传递方法，该方法包括如下步骤：
[0025]
本地端：
[0026]
待传递的光信号可以写为其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω
2-ω1＝ω
mmw
，
[0027]
经过第一波分解复用单元后分将波分复用光信号解复用后分为两路,一路经过所述第一y型光耦合器、第一移频器后输出的信号记为e2，另一路经过所述第二y型光耦合器、第二移频器后输出的信号记为e3，所述的信号表达式为：
[0028][0029][0030]
式中，ω
rf1
，分别为所述的第一移频器和第二移频器的射频工作的频率和初始相位。所述的e2、e3信号分别经过所述的第一偏振旋转分束器、第二偏振旋转分束器后经过所述的第三y型光耦合器合波后经过传递链路，进入用户端。
[0031]
由用户端反射回来的信号经过第三y型光耦合器分为两路，一路经过所述的第一偏振旋转分束器、第四y型光耦合器后输出的信号记为e4，另一路经过所述的第二偏振旋转分束器、第五y型光耦合器后输出的信号记为e5，所述信号的表达式为：
[0032][0033][0034]
式中，ω
rf2
，分别为所述的第三移频器的射频工作的频率和初始相位，分别为所述的第三移频器的射频工作的频率和初始相位，分别表示两个不同频率的光信号在传递链路中传输时引入的相位噪声。e4进入所述的第一光电探测器、第一二分频器后输出的信号记为e6，e5进入所述的第二光电探测器、第二二分频器后输出的信号记为e7，所述信号的表达式为：
[0035][0036][0037]
所述的第一微波源经所述的第一微波功分器分成两路，一路通过所述的第一混频器与所述的e6信号进行混频，混频后的信号经所述的第二带通滤波器后输出的信号记为e8，另一路通过所述的第二混频器与所述的e7信号进行混频，混频后的信号经所述的第一带通
滤波器后输出的信号记为e9，所述信号的表达式为：
[0038][0039][0040]
式中，ω
rf3
，分别为所述的第一微波源输出射频信号的频率和初始相位。所述的e8和e9信号分别经所述的第四微波功分器和所述的第三微波功分器合束后，分别同时加载到所述的第一移频器和所述的第二移频器，输出的光信号经所述的第三y型光耦合器合束后，再次经传递链路传输到用户端。
[0041]
用户端：
[0042]
在用户端经所述的第一偏振控制单元、第三移频器，输入到所述的第六光耦合器的信号表达式为：
[0043][0044]
在用户端经过光电转换、滤波后输出信号的表达式为：
[0045][0046]
在用户端可获得相位稳定的光子毫米波/太赫兹信号。
[0047]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0048]
1)本发明将依次相连的波分解复用器、光耦合器、移频器、偏振控制器和光电探测器均集成在同一个芯片上，芯片尺寸小、功耗低、噪声低、稳定性高。将传统的分立器件组成的频率传递系统集成在同一芯片上，大大减小了由于分立器件之间光纤连接的噪声影响，且节约了系统的设计成本。
[0049]
2)通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到中频信号上处理，在电域上通过简单地分频、混频与滤波处理即可实现稳定的毫米波/太赫兹信号传递，系统简单且可靠性高。
附图说明
[0050]
图1为波分解复用器的结构示意图。
[0051]
图2为本发明硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统的结构示意图。
[0052]
图3为本地端芯片的结构示意图。
[0053]
图4为用户端芯片的结构示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0055]
一种硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统，包含本地端、传递链路和用户端，所述的本地端的芯片结构主要包括波分解复用器、移频器、偏振旋转分束器、光耦合器和光电检测器，如图2所示。波分解复用器由两个级联可调跑道型微环滤波器组成，微环上集成了基于氮化钛的金属热电阻结构，用于相位差的调节。移频器由两个平行的马赫增德尔调制器、1个光分束器、1个光合束器和两个热移相器组成，每个波导上面都集成了基于pin二极
管的移相器，用于加载调制信号，也集成了基于金属热电阻或者波导热电阻结构的移相器，用于相位差的调节。偏振旋转分束器包含一个渐变脊型波导和一个非对称定向耦合器，渐变脊型波导由于高度方向结构非对称引入模式杂化，通过设计合适的波导尺寸可以将输入tm0偏振光转换为te1模式，te0偏振光保持不变；因此，输入tm0偏振光经过所述的偏振旋转分束器后从下输出端口输出，并且偏振旋转为te0；输入te0偏振光经过所述的偏振旋转分束器后从上输出端口输出，偏振态保持不变。光耦合单元采用1
×
2多模干涉器结构实现。上述各单元依次相连构成一个完整的片上芯片系统。
[0056]
用户端的芯片结构由左到右依次为偏振控制器、移频器和光耦合器，如图3所示。偏振控制器包含一个偏振旋转分束器、一个马赫增德尔干涉器和两个热移相器，输入tm0偏振光经过所述的偏振旋转分束器后从下输出端口输出，并且偏振旋转为te0；输入te0偏振光经过所述的偏振旋转分束器后从上输出端口输出，偏振态保持不变，通过调节两个热移相器的相移量可以将任意输入光的偏振方向进行调节控制。上述各单元依次相连构成一个完整的片上芯片系统。
[0057]
该芯片的输入采用具有太赫兹间隔的波分复用信号，输入光经过波分解复用器后将两路复用信号分成两路进入光耦合器将光分为两路，一路作为参考光进入另一个光耦合器，另一路经过双平行马赫增德尔型移频器调制后经过耦合器将两路信号复用后进入光纤链路传输。在远端反射回的信号经过耦合器后分为两路进入偏振旋转分束器后进入带有参考信号的耦合器，最终进入光电探测器拍频得到频率偏差信号。经过补偿链路进入移频器补偿后，即可在用户端得到稳定的频率信号。
[0058]
用户端接收到经过光纤链路传递的频率信号，其偏振态可能发生改变，经过偏振控制单元将偏振模式旋转为te模式进入移频器单元，输出经过90:10的定向耦合器将绝大部分光信号返回光纤链路，少部分信号经过移频器单元移频后经过光耦合单元一路进入偏振旋转分束器作为输出信号，另一路经过光耦合单元进入光电探测器拍频。
[0059]
优选的，本地端和用户端包括波分解复用器、光耦合器、移频器、偏振旋转分束器、偏振控制器以及光电探测器都可分别被集成到一块芯片上。
[0060]
优选的，该系统在进行波分解复用时采用双级联跑道型微环可调滤波器，能够控制输出的两路频率。
[0061]
优选的，该系统中移频器采用双平行马赫增德尔型移频器，每个干涉臂上都集成了热移相器来控制移频范围。
[0062]
优选的，该系统中偏振控制器由偏振旋转分束器和输出端的两个热移相器构成，通过调节两个热移相器的相移量可以控制改变任意输入光的偏振方向，以保证接收到的信号的偏振态与参考信号的偏振态相同。
[0063]
实施例1
[0064]
先请参阅图3与图4，图3为本发明硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统本地端实施例的结构示意图，图4为本发明硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统用户端实施例的结构示意图，由图可见，本发明硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统，包括本地端1、传递链路2以及用户端3。
[0065]
本地端：将待传递的光载毫米波信号经过第一双微环型波分解复用器11、第一y型光耦合器12、第二y型光耦合器13、第一双平行马赫增德尔型移频器14、第二双平行马赫增
德尔型移频器15、第一偏振旋转分束器16、第二偏振旋转分束器17以及第三y型光耦合器18后通过光纤链路2传递给用户端。
[0066]
用户端：接收的光载毫米波信号经过第一偏振控制器41、第三双平行马赫增德尔型移频器42以及第六y型光耦合器43后输出待传递的频率信号，其中第三双平行马赫增德尔型移频器42由第三微波源44提供射频信号。用户端反射回来的光信号经过第三y型光耦合器18后分为两路，一路经过第一偏振旋转分束器16、第四y型光耦合器19进入第一光电探测器21，另一路经过第二偏振旋转分束器17、第五y型光耦合器20进入第二光电探测器22，分别探测往返光学频率信号与本地光学频率信号之间的频率差，在第一光电探测器21中得到的频率信号进入第一二分频器29后进入第一混频器30，在第二光电探测器22中得到的频率信号进入第一二分频器23后进入第二混频器23。第一微波源28输出的射频信号经过第一功分器27后分成两路，一路进入第一混频器30，经第二带通滤波器31后进入第四功分器32，另一路进入第二混频器23，经过第一带通滤波器25后进入第三功分器26。第二微波源34输出的射频信号经过第二功分器38后分为两路，一路进入第四功分器32后进入第一双平行马赫增德尔型移频器14作为移频信号，另一路进入第三功分器26后进入第二双平行马赫增德尔型移频器15作为移频信号。通过被动补偿前向传递光学频率信号的相位噪声，使用户端3获得相位稳定的毫米波信号。
[0067]
实施例2
[0068]
图2为本发明硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统的结构示意图，由图2可见，硅基集成光子毫米波/太赫兹传递系统，包括本地端1、传递链路2和用户端3。本地端待传递的光信号可以写为其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω
2-ω1＝ω
mmw
，
[0069]
经过第一波分解复用单元11后分将波分复用光信号解复用后分为两路,一路经过所述第一y型光耦合器12、第一移频器14后输出的信号记为e2，另一路经过所述第二y型光耦合器13、第二移频器15后输出的信号记为e3，所述的信号表达式为：
[0070][0071][0072]
式中，ω
rf1
，分别为所述的第一移频器14和第二移频器15的射频工作的频率和初始相位。所述的e2、e3信号分别经过所述的第一偏振旋转分束器16、第二偏振旋转分束器17后经过所述的第三y型光耦合器18合波后经过传递链路2，进入用户端3。
[0073]
由用户端反射回来的信号经过第三y型光耦合器18分为两路，一路经过所述的第一偏振旋转分束器16、第四y型光耦合器19后输出的信号记为e4，另一路经过所述的第二偏振旋转分束器17、第五y型光耦合器20后输出的信号记为e5，所述信号的表达式为：
[0074][0075][0076]
式中，ω
rf2
，分别为所述的第三移频器42的射频工作的频率和初始相位，分别表示两个不同频率的光信号在传递链路中传输时引入的相位噪声。e4进入所述的第一光电探测器21、第一二分频器29后输出的信号记为e6，e5进入所述的第二光电探测器22、第二二分频器23后输出的信号记为e7，所述信号的表达式为：
[0077][0078][0079]
所述的第一微波源28经所述的第一微波功分器27分成两路，一路通过所述的第一混频器30与所述的e6信号进行混频，混频后的信号经所述的第二带通滤波器31后输出的信号记为e8，另一路通过所述的第二混频器24与所述的e7信号进行混频，混频后的信号经所述的第一带通滤波器25后输出的信号记为e9，所述信号的表达式为：
[0080][0081][0082]
式中，ω
rf3
，分别为所述的第一微波源28输出射频信号的频率和初始相位。所述的e8和e9信号分别经所述的第四微波功分器32和所述的第三微波功分器26合束后，分别同时加载到所述的第一移频器14和所述的第二移频器15，输出的光信号经所述的第三y型光耦合器18合束后，再次经传递链路2传输到用户端3。
[0083]
在用户端经所述的第一偏振控制单元41、第三移频器42，输入到所述的第六光耦合器43的信号表达式为：
[0084][0085]
在用户端经过光电转换、滤波后输出信号的表达式为：
[0086][0087]
因此在用户端可获得相位稳定的光子毫米波/太赫兹信号。
[0088]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。