通用型硅基光子毫米波/太赫兹芯片及其传递系统和方法

1.本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种通用型硅基集成的光子毫米波和太赫兹传递芯片及其系统与传递方法。


背景技术：

2.深空探测、分布式雷达和数据通信朝着更高频段(毫米波和太赫兹)发展。毫米波/太赫兹位于传统的红外与微波的过渡区域，是电磁谱中具有重要科学意义和前景的频段。近年毫米波与太赫兹相关技术的发展为通信、成像探测、电子对抗、环境监测、医学监测、安全检查等前沿领域提供了一系列革新方案。毫米波与太赫兹具有载波频率高、通信容量大、穿透性好、光子能量低、无生物电离等特点。同时，许多分子的振动和旋转能级与太赫兹/毫米波的频段相对应。基于这些特点，毫米波/太赫兹技术必将在远距离成像探测、遥感、频谱分析、生物医学、高速无线通信等领域取得革命性突破。
3.在分布式系统中，成百上千个阵元需要大量的分布式发射接收和控制网络，这需要大量的微波器件及电缆，导致系统带宽受限、体积庞大、功耗大、且易受到电磁干扰，很难满足远距离、低相位噪声传输高频信号的要求。光器件具有宽带、低损耗、体积小、重量轻、抗电磁干扰等诸多优点。因此，相控阵雷达系统中引入光纤分配技术成为其发展趋势。另外，无论是在射电天文探测系统中还是在雷达系统中，各天线阵间的距离都较远，为了保证系统的分辨率，要求信号经过一定距离的传输后相位要保持稳定。因此，能够向各天线分配高稳定的毫米波/亚毫米波本振参考信号至关重要。然而由于毫米波/亚毫米波信号频率较高，具有与其他频段不同的理论问题和技术难点。基于光纤的光载毫米波/太赫兹传递由于光纤具有高稳定性、低损耗特点被认为是实现大范围高精度光载毫米波/太赫兹传递的一种有效解决方案。由于采用分立器件，系统存在较大的带外噪声，需要复杂的温控系统实现高精度的光载毫米波/太赫兹传递。
4.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现有技术以及工作的不足，提供一种通用型的硅基光子毫米波/太赫兹传递芯片。该芯片具有尺寸小、噪声低、结构紧凑、封装简单、可靠性高以及发射端和中继通用的优点。
[0006]
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
[0007]
一种通用型硅基集成的光子毫米波/太赫兹传递芯片，其特点在于，包括第一y型光耦合器和光功率分配单元；
[0008]
所述的第一y型耦合器的第2端口、第3端口与输入的两路激光器相连，该第一y型耦合器的第1端口与所述的光功率分配单元的输入端口相连，所述的光功率分配单元共有n个输出端口分别连接第一光路、第二光路、第三光路、
……
、第n光路，其中，第二光路、第三光路、
……
、第n光路相同；
[0009]
所述的第一光路包括第一偏振旋转分束单元、第二y型光耦合器、偏振控制单元、第三y型光耦合器、第一波分解复用单元、第一光电探测单元和第二光电探测单元；所述的第一偏振旋转分束单元的第1端口与所述的光功率分配单元的第1输出端口相连，所述的第一偏振旋转分束单元的第2端口、第3端口分别与第二y型耦合器的第3端口、第三y型耦合器的第2端口相连；所述的第二y型耦合器的第1端口、第2端口分别与偏振控制单元的第1端口、第三y型耦合器的第3端口相连；所述的第三y型耦合器的第1端口与第一波分解复用单元(7)的第1端口相连；所述的第一波分解复用单元的第2、第3端口分别与所述的第一光电探测单元、所述的第二光电探测单元的光输入口相连；所述的偏振控制单元的第2端口与传递链路或者上一级输出的光子毫米波/太赫兹信号相连；
[0010]
所述的第二光路包括第二波分解复用单元、第四y型光耦合器、第一移频器单元、第二偏振旋转分束单元、第五y型光耦合器、第三光电探测单元、第六y型光耦合器、第七y型光耦合器、第二移频器单元、第三偏振旋转分束单元、第八y型光耦合器和第四光电探测单元；所述的光功率分配单元的第2输出端口与所述的第二波分解复用单元的第1端口相连，所述的第二波分解复用单元的第2端口、第3端口分别与第四y型光耦合器的第1端口、第七y型光耦合器的第1端口相连；所述的第四y型光耦合器的第2端口、第3端口分别与第一移频器单元的第1端口、第五y型光耦合器的第2端口相连；所述的第一移频器单元的第2端口与第二偏振旋转分束单元的第3端口相连；所述的第五y型光耦合器的第1端口、第3端口分别与第三光电探测单元、所述的第二偏振旋转分束单元的第2端口相连；所述的第二偏振旋转分束单元的第1端口与第六y型光耦合器的第3端口相连；所述的第七y型光耦合器的第2端口、第3端口分别与第二移频器单元第1端口、第八y型光耦合器的第2端口相连；所述的第二移频器单元的第2端口与第三偏振旋转分束单元的第3端口相连；所述的第八y型光耦合器的第1端口、第3端口分别与第四光电探测单元、所述的第三偏振旋转分束单元的第2端口相连；所述的第三偏振旋转分束单元的第1端口与所述的第六y型光耦合器第2端口相连；所述的第六y型光耦合器的第1端口与传递链路或者光子毫米波/太赫兹接收端相连；
[0011]
所述的第n光路包括第n波分解复用单元，依次类推；
[0012]
所述的第一y型光耦合器、光功率分配单元、第一偏振旋转分束单元、第二y型光耦合器、偏振控制单元、第三y型光耦合器、第一波分解复用单元、第一光电探测单元、第二光电探测单元、第二波分解复用单元、第四y型光耦合器、第一移频器单元、第二偏振旋转分束单元、第五y型光耦合器、第三光电探测单元、第六y型光耦合器、第七y型光耦合器、第二移频器单元、第三偏振旋转分束单元、第八y型光耦合器、第四光电探测单元和第n波分解复用单元集成在芯片上。
[0013]
所述的第一波分解复用单元、第二波分解复用单元到所述的第n波分解复用单元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。
[0014]
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(、第七y型光耦合器和第八y型光耦合器采用定向耦合器、多模干涉器或y分叉波导结构实现。
[0015]
所述的第一移频器单元、第二移频器单元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的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，用于调节合适的相位差；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，用于调节合适的相位差；所述的光合束器和光分束器可采用多模干涉器结合或者定向耦合器结构实现。
[0016]
所述的第一偏振旋转分束单元、第二偏振旋转分束单元、第三偏振旋转分束单元包含一个渐变脊型波导和一个非对称定向耦合器；所述的渐变脊型波导的输入端即为所述的偏振旋转分束器的输入端；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；所述的非对称定向耦合器包含两个渐变型条形波导，通过设计合理的波导尺寸使得上波导的te1模式与下波导的te0模式相位匹配，从而实现te1模式和te0模式的分离；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。
[0017]
所述的偏振控制单元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；所述的偏振旋转分束器与上述偏振旋转分束单元采用相同的结构；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移相量可以将任意输入光的偏振方向进行调节控制。
[0018]
所述的光功率分配单元包含第一马赫增德尔调制器至第n马赫增德尔调制器、第
一光分束器至第n光分束器和第一热移相器至第n热移相器；所述的第一光分束器的输入端作为所述光功率分配单元的输入端；所述的第一光分束器的两个输出端与所述的第一马赫增德尔调制器的两个输入端相连，所述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第二光分束器和第三光分束器的输入端口相连，依次类推得到1
×
n的光功率分配单元结构；所述的热移相器采用金属热电阻或者波导热电阻结构，用于调节合适的相位差；所述的光分束器可采用多模干涉器结合或者定向耦合器结构实现。
[0019]
本发明还提供一种硅基光子毫米波和太赫兹传递系统，包括本地端、传递链路和用户端；其特点在于，所述的本地端和用户端均包括上述通用型硅基集成的光子毫米波/太赫兹传递芯片；
[0020]
输入到本地端的两路光波信号与本地两路激光器输出的信号分别进行锁定实现信号的放大，同时，另一部分本地激光器锁定后两路光波信号进入第二光路，经过解复用器后分成两路，两路信号分别经过移频单元。其中，一路移频单元由压控振荡器控制，另一路由任意频率参考源控制。将两路具有太赫兹间隔的信号经过移频后合路进入所述传递链路，所述的用户端反射回来的信号经过两个光电探测单元，检测往返光学频率信号与本地光学频率信号的频率差，通过控制两个移频器的工作频率，补偿传递链路在前向传递光子毫米波/太赫兹信号中引入的相位噪声，使得用户端获得相位稳定的光学频率信号；
[0021]
作为用户端接收毫米波/太赫兹信号时，经第一光路进入第一光路的两个光电探测单元进行检测，从而将输入到用户端的两路光波信号与本地的两路激光器的输出分别进行相互锁定实现信号的放大。锁定放大后的光子毫米波/太赫兹信号一部分返回到光纤链路传递到主端，另一部分作为本地的信号经第二光路向下一级传递或者经过本地光电转换后转换成毫米波/太赫兹信号。
[0022]
本发明还提供一种利用上述系统的硅基光子毫米波和太赫兹传递方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
[0023]
在所述的本地端，待传递的两路光信号分别为在所述的本地端，待传递的两路光信号分别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
1-ω2＝ω
mmw
，输入到主端的两路光波信号经过第一偏振控制单元、第二y型光耦合单元、第三y型光耦合单元、第一波分解复用单元解复用后分别进入第一光电探测单元与第二光电探测单元。本地两路激光器输出的信号经过第一y型光耦合单元进行合路，合路后的信号经过所述的光功率分配网络后经过第一偏振旋转分束单元、第三y型光耦合单元、第一波分解复用单元解复用后分别进入第一光电探测单元与第二光电探测单元，由此输入到主端的两路光波信号与本地两路激光器输出的信号可分别进行锁定实现信号的放大，本地激光器锁定后的两路光波信号其角频率分别为ω1 ωa和ω2 ωa以及初始相位分别为和
[0024]
同时，本地激光器锁定后，两路光波信号经过第一y型光耦合单元、光功率分配网络分配给主端传递支路，两路光信号经过第二波分解复用单元将波分复用光信号解复用后分为两路,一路经过所述第四y型光耦合单元、第一移频单元后输出的信号记为e3，另一路经过所述第七y型光耦合单元、第二移频单元后输出的信号记为e4，所述的信号表达式为：
[0025][0026][0027]
其中，第一移频单元由压控振荡器控制，其角频率和补偿相位分别为ω
l
和第二移频单元由任意频率参考源提供，其角频率和相位分别为ω
l
和所述的e3、e4信号分别所述的第二偏振旋转分束单元、第三偏振旋转分束单元后经过所述的第六y型光耦合单元合波后经过传递链路，进入用户端，用户端接收到的信号可表示为：
[0028][0029]
其中，和分别为两路光波信号在光纤链路传输中引入的相位噪声。输入到用户端的两路光波信号同样经过第一偏振控制单元、第二y型光耦合单元、第三y型光耦合单元、第一波分解复用单元解复用后分别进入第一光电探测单元与第二光电探测单元。用户端的两路激光器的输出信号经过第一y型光耦合单元、光功率分配网络、第一偏振旋转分束单元、第三y型光耦合单元、第一波分解复用单元解复用后分别进入第一光电探测单元与第二光电探测单元。由此输入到从端的两路光波信号与本地的两路激光器的输出分别进行相互锁定实现信号的放大，从端本地激光器锁定后的光子波毫米波/太赫兹信号可表示为：
[0030][0031]
其中，ωr和分别为用户端光学锁相环参考频率和相位。锁定放大后的光子毫米波/太赫兹信号一部分返回到光纤链路传递到本地端，另一部分经过第二波分解复用单元将波分复用光信号解复用后分为两路,一路经过所述第四y型光耦合单元、第一移频单元、第二偏振旋转分束单元，另一路经过所述第七y型光耦合单元、第二移频单元、第三偏振旋转分束单元后经过第六y型光耦合单元合路后作为本地的信号向下一级传递或者本地光电转换后转换成毫米波/太赫兹信号。用户端的光子毫米波/太赫兹两路光波经过拍频后可表示为：
[0032][0033]
用户端反射回的信号经过光纤链路后经过本地端中所述的第六y型光耦合单元接收后分为两路：一路经过所述的第二偏振旋转分束单元、第五y型光耦合单元进入第三光电探测单元与本地激光器输出信号拍频并滤波后输出的信号记为e8，另一路经过所述的第三偏振旋转分束单元、第八y型光耦合单元进入第四光电探测单元与本地激光器输出信号拍频并滤波后输出的信号记为e9，所述的信号表达式为：
[0034][0035][0036]
通过将两路中频信号e8与e9通过混频取下边带后，通过伺服控制器控制压控振荡器的驱动频率，使得：
[0037][0038]
此时，在用户端可获得相位稳定的光子毫米波/太赫兹信号此时，在用户端可获得相位稳定的光子毫米波/太赫兹信号
[0039]
同样，若需要将光子毫米波/太赫兹信号分配给多个用户，可利用光功率分配单元将光信号分配给n个光学支路，通过上述方法将待传递信号同时传递给n个用户端，实现多节点的光子毫米波/太赫兹信号传递。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0041]
1)本发明将相连的波分解复用单元、光功率分配单元、光耦合单元、移频单元、偏振控制单元和光电探测单元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。
[0042]
2)通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到射频信号上处理，在电域上通过简单地分频、混频、滤波以及锁相等处理即可补偿在传递链路中引入的相位噪声，从而实现稳定的光子毫米波/太赫兹信号传递，系统简单且可靠性高。
[0043]
3)芯片可实现对从上一级链路接收到的光子毫米波/太赫兹信号进行锁定放大，放大后的信号一部分可返回到输入端，同时可分成多路向下一级链路传递。下一级链路的用户端采用同样的芯片对接收到的信号进行锁定放大后返回到本地端，是一种通用型硅基光子毫米波/太赫兹传递芯片。
附图说明
[0044]
图1为本发明通用型硅基光子毫米波和太赫兹传递芯片的结构示意图。
[0045]
图2为本发明通用型硅基光子毫米波和太赫兹传递系统的结构示意图。
具体实施方式
[0046]
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。
[0047]
一种通用型硅基光子毫米波/太赫兹传递芯片，包括第一y型光耦合器和光功率分配单元，所述的第一y型耦合器的第2端口、第3端口与输入的两路激光器相连；所述的第一y型耦合器的第1端口与所述的光功率分配单元的输入端口相连；所述的光功率分配单元共有n个输出端口分别连接n个光路，第2输出端口到第n输出端口相连的光路相同；
[0048]
所述的光功率分配单元的第1输出端口与第1光路相连，第1光路包括第一偏振旋转分束单元，所述的第一偏振旋转分束单元的第1端口与所述的光功率分配单元的第1输出端口相连，所述的第一偏振旋转分束单元的第2端口、第3端口分别与第二y型耦合器的第3端口、第三y型耦合器的第2端口相连；所述的第二y型耦合器的第1端口、第2端口分别与偏振控制单元的第1端口、第三y型耦合器的第3端口相连；所述的第三y型耦合器的第1端口与第一波分解复用单元的第1端口相连；所述的第一波分解复用单元的第2端口、第3端口分别与所述的第一光电探测单元、所述的第二光电探测单元的光输入口相连；所述的偏振控制
单元的第2端口与传递链路上一级输出的光子毫米波/太赫兹信号相连；
[0049]
所述的光功率分配单元的第2输出端口与第2光路相连，第2光路的结构包括第二波分解复用单元，所述的光功率分配单元的第2输出端口与所述的第二波分解复用单元的第1端口相连，所述的第二波分解复用单元的第2端口、第3端口分别与第四y型光耦合器的第1端口、第七y型光耦合器的第1端口相连；所述的第四y型光耦合器的第2端口、第3端口分别与第一移频器单元的第1端口、第五y型光耦合器的第2端口相连；所述的第一移频器单元的第2端口与第二偏振旋转分束单元的第3端口相连；所述的第五y型光耦合器的第1端口、第3端口分别与第三光电探测单元、所述的第二偏振旋转分束单元的第2端口相连；所述的第二偏振旋转分束单元的第1端口与第六y型光耦合器的第3端口相连；所述的第七y型光耦合器的第2端口、第3端口分别与第二移频器单元第1端口、第八y型光耦合器的第2端口相连；所述的第二移频器单元的第2端口与第三偏振旋转分束单元的第3端口相连；所述的第八y型光耦合器的第1端口、第3端口分别与第四光电探测单元、所述的第三偏振旋转分束单元的第2端口相连；所述的第三偏振旋转分束单元的第1端口与所述的第六y型光耦合器第2端口相连；所述的第六y型光耦合器的第1端口与传递链路或者光子毫米波/太赫兹探测单元相连。
[0050]
所有的元部件都集成在在同一个绝缘的硅基底上。
[0051]
所述的第一波分解复用单元、第二波分解复用单元到所述的第n波分解复用单元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。
[0052]
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、第七y型光耦合器和第八y型光耦合器可采用定向耦合器、多模干涉器或y分叉波导结构实现。
[0053]
所述的第一移频器单元、第二移频器单元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的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，用于调节合适的相位差；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，用于调节合适的相位差；所述的光合束器和光分束器可采用多模干涉器结合或者定向耦合器结构实现。
[0054]
所述的第一偏振旋转分束单元、第二偏振旋转分束单元、第三偏振旋转分束单元
包含一个渐变脊型波导和一个非对称定向耦合器；所述的渐变脊型波导的输入端即为所述的偏振旋转分束器的输入端；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；所述的非对称定向耦合器包含两个渐变型条形波导，通过设计合理的波导尺寸使得上波导的te1模式与下波导的te0模式相位匹配，从而实现te1模式和te0模式的分离；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。
[0055]
所述的偏振控制单元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移相量可以将任意输入光的偏振方向进行调节控制。
[0056]
所述的光功率分配单元包含第一马赫增德尔调制器至第n马赫增德尔调制器、第一光分束器至第n光分束器和第一热移相器至第n热移相器；所述的第一光分束器的输入端作为所述光功率分配单元的输入端；所述的第一光分束器的两个输出端与所述的第一马赫增德尔调制器的两个输入端相连，所述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第二光分束器和第三光分束器的输入端口相连，依次类推得到1
×
n的光功率分配单元结构；所述的热移相器采用金属热电阻或者波导热电阻结构，用于调节合适的相位差；所述的马赫增德尔调制器与权利要求5所述的马赫增德尔调制器的结构相同；所述的光分束器可采用多模干涉器结合或者定向耦合器结构实现。
[0057]
实施例1
[0058]
先请参阅图1，图1为本发明通用型硅基光子毫米波/太赫兹传递芯片实施例的结构示意图，由图可见，本发明通用型硅基光子毫米波/太赫兹传递芯片，包括第一y型光耦合器1和光功率分配单元2，所述的第一y型耦合器1的第2端口、第3端口与输入的两路激光器相连；所述的第一y型耦合器1的第1端口与所述的光功率分配单元2的输入端口相连；所述的光功率分配单元2共有n个输出端口分别连接n个光路，第2输出端口到第n输出端口相连的光路相同；
[0059]
所述的光功率分配单元2的第1输出端口与第1光路相连，第1光路包括第一偏振旋转分束单元3，所述的第一偏振旋转分束单元3的第1端口与所述的光功率分配单元2的第1输出端口相连，所述的第一偏振旋转分束单元3的第2端口、第3端口分别与第二y型耦合器4的第3端口、第三y型耦合器6的第2端口相连；所述的第二y型耦合器4的第1端口、第2端口分别与偏振控制单元5的第1端口、第三y型耦合器6的第3端口相连；所述的第三y型耦合器6的第1端口与第一波分解复用单元7的第1端口相连；所述的第一波分解复用单元7的第2端口、第3端口分别与所述的第一光电探测单元8、所述的第二光电探测单元9的光输入口相连；所
述的偏振控制单元5的第2端口与传递链路或者光子毫米波/太赫兹输入源相连；
[0060]
所述的光功率分配单元2的第2输出端口与第2光路相连，第2光路的结构包括第二波分解复用单元10，所述的光功率分配单元2的第2输出端口与所述的第二波分解复用单元10的第1端口相连，所述的第二波分解复用单元10的第2端口、第3端口分别与第四y型光耦合器11的第1端口、第七y型光耦合器17的第1端口相连；所述的第四y型光耦合器11的第2端口、第3端口分别与第一移频器单元12的第1端口、第五y型光耦合器14的第2端口相连；所述的第一移频器单元12的第2端口与第二偏振旋转分束单元13的第3端口相连；所述的第五y型光耦合器14的第1端口、第3端口分别与第三光电探测单元15、所述的第二偏振旋转分束单元13的第2端口相连；所述的第二偏振旋转分束单元13的第1端口与第六y型光耦合器16的第3端口相连；所述的第七y型光耦合器17的第2端口、第3端口分别与第二移频器单元18第1端口、第八y型光耦合器20的第2端口相连；所述的第二移频器单元18的第2端口与第三偏振旋转分束单元19的第3端口相连；所述的第八y型光耦合器20的第1端口、第3端口分别与第四光电探测单元21、所述的第三偏振旋转分束单元19的第2端口相连；所述的第三偏振旋转分束单元19的第1端口与所述的第六y型光耦合器16第2端口相连；所述的第六y型光耦合器16的第1端口与传递链路或者光子毫米波/太赫兹探测单元相连。
[0061]
所有的元部件都集成在绝缘的硅基底上。
[0062]
所述的第一波分解复用单元7、第二波分解复用单元10到所述的第n波分解复用单元22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。
[0063]
所述的第一y型光耦合器1、第二y型光耦合器4、第三y型光耦合器6、第四y型光耦合器11、第五y型光耦合器14、第六y型光耦合器16、第七y型光耦合器17和第八y型光耦合器20可采用定向耦合器、多模干涉器或y分叉波导结构实现。
[0064]
所述的第一移频器单元12、第二移频器单元18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的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，用于调节合适的相位差；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，用于调节合适的相位差；所述的光合束器和光分束器可采用多模干涉器结合或者定向耦合器结构实现。
[0065]
所述的第一偏振旋转分束单元3、第二偏振旋转分束单元13、第三偏振旋转分束单
元19包含一个渐变脊型波导和一个非对称定向耦合器；所述的渐变脊型波导的输入端即为所述的偏振旋转分束器的输入端；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；所述的非对称定向耦合器包含两个渐变型条形波导，通过设计合理的波导尺寸使得上波导的te1模式与下波导的te0模式相位匹配，从而实现te1模式和te0模式的分离；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。
[0066]
所述的偏振控制单元5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；所述的偏振旋转分束器与权利要求6所述的偏振旋转分束单元采用相同的结构；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移相量可以将任意输入光的偏振方向进行调节控制。
[0067]
所述的光功率分配单元2包含第一马赫增德尔调制器至第n马赫增德尔调制器、第一光分束器至第n光分束器和第一热移相器至第n热移相器；所述的第一光分束器的输入端作为所述光功率分配单元的输入端；所述的第一光分束器的两个输出端与所述的第一马赫增德尔调制器的两个输入端相连，所述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第二光分束器和第三光分束器的输入端口相连，依次类推得到1
×
n的光功率分配单元结构；所述的热移相器采用金属热电阻或者波导热电阻结构，用于调节合适的相位差；所述的光分束器可采用多模干涉器结合或者定向耦合器结构实现。
[0068]
实施例2
[0069]
图2为本发明通用型硅基光子毫米波/太赫兹传递系统的结构示意图，由图可见，通用型硅基光子毫米波/太赫兹传递系统，包括本地端1、传递链路2和用户端3。作为本地端发送毫米波/太赫兹信号时，将两路具有太赫兹间隔的激光信号经过第一y型光耦合单元001、光功率分配单元002、第二波分解复用单元010、第四y型光耦合单元011、第七y型光耦合单元017、第一移频单元012、第二移频单元018、第五y型光耦合单元014、第八y型光耦合单元020、第三光电探测单元015、第四光电探测单元021、第二偏振旋转分束单元013、第三偏振旋转分束单元019、第六y型光耦合单元016进入所述传递链路2，在所述用户端3反射回来的信号经过第六y型光耦合单元016、第二偏振旋转分束单元013、第三偏振旋转分束单元019、第五y型光耦合单元014、第八y型光耦合单元020分别进入第三光电探测单元015、第四光电探测单元021用于检测往返光学频率信号与本地光学频率信号的频率差，通过控制双平行马赫增德尔调制器构成的移频器的工作频率，补偿传递链路在前向传递光子毫米波/太赫兹信号中引入的相位噪声，使得用户端获得相位稳定的光学频率信号。
[0070]
在所述的用户端3，两路具有太赫兹间隔的激光信号经过第一光路第一偏振旋转
分束单元303、第二y型光耦合单元304、第一偏振控制305接入上一级传递链路，通过第一偏振控制单元305、第二y型光耦合单元304、第三y型光耦合单元306、第一波分解复用单元307分别进入第一光电探测单元308、第二光电探测单元309，接收到的光子毫米波/太赫兹信号进行锁定放大。
[0071]
利用上述的通用型光子毫米波/太赫兹传递系统的传递方法，具体步骤如下：
[0072]
1)在所述的本地端1，待传递的两路光信号分别为1)在所述的本地端1，待传递的两路光信号分别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
1-ω2＝ω
mmw
，输入到主端的两路光波信号经过第一偏振控制单元005、第二y型光耦合单元004、第三y型光耦合单元006、第一波分解复用单元007解复用后分别进入第一光电探测单元008与第二光电探测单元009。本地两路激光器输出的信号经过第一y型光耦合单元001进行合路，合路后的信号经过所述的光功率分配网络002后经过第一偏振旋转分束单元003、第三y型光耦合单元006、第一波分解复用单元007解复用后分别进入第一光电探测单元008与第二光电探测单元009，由此输入到主端的两路光波信号与本地两路激光器输出的信号可分别进行锁定实现信号的放大，本地激光器锁定后的两路光波信号其角频率分别为ω1 ωa和ω2 ωa以及初始相位分别为和
[0073]
同时，本地激光器锁定后，两路光波信号经过第一y型光耦合单元001、光功率分配网络002分配给主端传递支路，两路光信号经过第二波分解复用单元010将波分复用光信号解复用后分为两路,一路经过所述第四y型光耦合单元011、第一移频单元012后输出的信号记为e3，另一路经过所述第七y型光耦合单元017、第二移频单元018后输出的信号记为e4，所述的信号表达式为：
[0074][0075][0076]
其中，第一移频单元012由压控振荡器控制，其角频率和补偿相位分别为ω
l
和第二移频单元018由任意频率参考源提供，其角频率和相位分别为ω
l
和所述的e3、e4信号分别所述的第二偏振旋转分束单元013、第三偏振旋转分束单元019后经过所述的第六y型光耦合单元016合波后经过传递链路2，进入用户端3，用户端接收到的信号可表示为：
[0077][0078]
其中，和分别为两路光波信号在光纤链路传输中引入的相位噪声。输入到用户端的两路光波信号同样经过第一偏振控制单元305、第二y型光耦合单元304、第三y型光耦合单元306、第一波分解复用单元307解复用后分别进入第一光电探测单元308与第二光电探测单元309。用户端的两路激光器的输出信号经过第一y型光耦合单元301、光功率分配网络302、第一偏振旋转分束单元303、第三y型光耦合单元306、第一波分解复用单元307解复用后分别进入第一光电探测单元308与第二光电探测单元309。由此输入到从端的两路光波信号与本地的两路激光器的输出分别进行相互锁定实现信号的放大，从端本地激光器锁定后的光子波毫米波/太赫兹信号可表示为：
[0079][0080]
其中，ωr和分别为用户端光学锁相环参考频率和相位。锁定放大后的光子毫米波/太赫兹信号一部分返回到光纤链路传递到本地端，另一部分经过第二波分解复用单元310将波分复用光信号解复用后分为两路,一路经过所述第四y型光耦合单元311、第一移频单元312、第二偏振旋转分束单元313，另一路经过所述第七y型光耦合单元317、第二移频单元318、第三偏振旋转分束单元319后经过第六y型光耦合单元316合路后作为本地的信号向下一级传递或者本地光电转换后转换成毫米波/太赫兹信号。用户端的光子毫米波/太赫兹两路光波经过拍频后可表示为：
[0081][0082]
用户端反射回的信号经过光纤链路2后经过本地端1中所述的第六y型光耦合单元016接收后分为两路：一路经过所述的第二偏振旋转分束单元013、第五y型光耦合单元014进入第三光电探测单元015与本地激光器输出信号拍频并滤波后输出的信号记为e8，另一路经过所述的第三偏振旋转分束单元019、第八y型光耦合单元020进入第四光电探测单元021与本地激光器输出信号拍频并滤波后输出的信号记为e9，所述的信号表达式为：
[0083][0084][0085]
通过将两路中频信号e8与e9通过混频取下边带后，通过伺服控制器控制压控振荡器的驱动频率，使得：
[0086][0087]
此时，在用户端可获得相位稳定的光子毫米波/太赫兹信号此时，在用户端可获得相位稳定的光子毫米波/太赫兹信号
[0088]
同样，若需要将光子毫米波/太赫兹信号分配给多个用户，可利用光功率分配单元将光信号分配给n个光学支路，通过上述方法将待传递信号同时传递给n个用户端，实现多节点的光子毫米波/太赫兹信号传递。
[0089]
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。