一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片的制作方法

1.本发明涉及微波光子技术和集成光电子器件领域，尤其涉及一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片。


背景技术：

2.相控阵天线可以实现无惯性的波束扫描，与机械扫描天线相比，具有灵活性强、精度高等优势，得到广泛应用。采用模拟波束形成相控阵天线，是利用移相器改变各辐射单元的馈电相位，从而改变天线方向图的最大指向，实现波束扫描。但是移相器会导致天线受到波束偏斜和孔径渡越时间的制约，使得天线瞬时带宽受限，无法满足高速通信、高分辨雷达成像、宽带电子对抗等方面的需求。
3.采用光学真延时的光控波束形成技术，能有效提高相控阵天线的瞬时带宽，同时具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优势，近年来获得了迅速的发展和应用。然而传统的光控波束形成主要是基于光纤延时器件实现的。光纤延时器件体积较大，难以实现集成化和小型化，而且延时精度受到光纤加工精度的限制，难以满足波束形成的精度需求。因此基于光波导的光控波束形成网络芯片受到越来越多的关注。
4.然而，目前光控波束形成网络芯片，存在以下三方面问题。
5.一是尽管光延时线器件已经芯片化，但是电光调制器、光电探测器、光波分复用器等关键功能，仍然普遍采用分立器件。光控波束形成网络整体的芯片化程度低，导致集成度差、功能相对单一。急需高集成芯片化的光控波束形成网络，尤其是单片集成的光控波束形成网络。
6.二是对多波束网络的架构，现有的方案元器件设计复杂或者不适合单片集成。部分多波束形成网络的核心延时单元需要采用色散光波导。色散光波导相比常规光波导，设计复杂、加工难度大，而且对应的激光源，需要从固定波长改为扫描波长，这使得芯片设计加工难度和控制难度显著上升。部分多波束形成网络需要采用多级级联的波分复用器。但是从分立器件转为多功能单片集成的后，由于加工误差，多级串联的波分复用器间需要复杂的标校和协调，实用性较差。
7.三是在光控波束形成网络的拓扑架构上，现有很多光控波束形成网络架构在拓扑结构上只支持接收或者只支持发射，难以做到收发通用。同时当天线规模和波束规模增长时，网络的拓扑架构需要重新布局，兼容性和可扩展性较差。同时，拓扑架构中存在大量衰减器、环形器、微环谐振腔等器件，导致网络架构复杂冗余，或稳定性较差。
8.因此急需高集成、多波束、收发通用、扩展性强、控制简便的光控波束形成网络。


技术实现要素：

9.为避免背景技术中的问题，本发明提出了一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片。芯片的波束形成网络架构适合多阵元多波束的大规模应用场景，波束数量可以不断扩展。结构简单，收发通用，既可作为发射波束形成网络使用，也可以接收波束
形成网络使用。而且信号对射频输入输出接和激光输入输出灵活可选。具有高集成、收发通用、光电一体等优势，在超宽带相控阵系统中具备显著的应用前景。
10.为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
11.一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片，包括m n个电光调制器、m n个光电探测器、n
×
m条可调光延时线、m n个模斑转换器，2m
×
n个测试光探测器、n m个光分路器和n m个波分复用器，其中，n＝2k，m＝2j，k、j为≥0的整数；
12.芯片左侧，n个电光调制器和n个模斑转换器分别对应与n个光分路器连接，n个光电探测器对应与n个波分复用器连接，光分路器和波分复用器分别接入可调光延时线的左侧的两个端口；芯片右侧，m个波分复用器分别对应与m个光电探测器和m个模斑转换器连接，m个电光调制器对应与m个光分路器连接，波分复用器和光分路器接入可调光延时线右侧的两个端口；
13.电光调制器或模斑转换器用于接收射频信号，将处理后的信号送入光分路器；光分路器用于将光信号均等的分为多路，然后对应送入可调光延时线；可调光延时线用于将输入信号进行延时控制和幅度控制，然后进入波分复用器；波分复用器用于将多路来自不同可调光延时线的信号合为1路，合并后的信号送入模斑转换器输出光信号或者送入光电探测器输出射频信号；
14.其中，可调光延时线由多级光开关和不同长度的光波导串联而成，通过切换光信号传递的路径长短来控制延时量；可调光延时线的第一级和最后一级为复合光开关，复合光开关包括mmi、移相器、抽头光耦合器和光电探测器。
15.进一步的，n
×
m条可调光延时线定义编号为11，12
……
1m，21，22，
……
2m，
……
，n1，n2，
……
nm，定义延时线编号的第一位为n，第二位为m，信号的分配方式为：芯片左侧第n个光分路器第m个端口连接第nm条可调延时线，第nm条可调光延时线连接芯片右侧第m个波分复用器的第n个端口；其中，n＝1，2，，
……
n，m＝1，2，
……
，m。
16.进一步的，n对应芯片支持的天线数量，m对应天线支持的波束数量，n和m可相等或不相等。
17.进一步的，电光调制器采用全硅基设计，波导结构为soi脊型光波导，光学结构主体为马赫-曾德尔干涉器，电学结构主体为pn结；光电探测器和测试光探测器采用波导型的锗硅基锗探测器，波导与探测器的对接方式采用对接耦合；可调光延时线、光分路器和波分复用器采用soi材料的矩形光波导或脊型光波导；芯片整体硅基单片集成。
18.进一步的，可调延时线中幅度控制是通过复合光开关完成，复合光开关控制特定输出端口的衰减值。
19.进一步的，每个电光调制器各输入一路激光载波，且任何两个载波的频率差
△
f》》fb，fb为光电探测器的最高工作频率。
20.本发明相比现有技术具有如下有益效果：
21.本发明芯片采用硅基单片集成工艺，单个芯片包含电光调制器、可调光延时线，和光电探测器等，不必外接电光调制器、光电探测器、光隔离器、光偏振控制器、光环形器等器件，而且单片支持多波束，有效提升了光控波束形成网络的集成度。而且采用硅基cmos工艺加工完成，加工步骤集约，批量一致性好，适合大规模生产和应用。
22.本发明芯片对接收和发射通用，而且天线规模和波束规模可以不断扩展。而且采
用光电一体化设计，信号对射频输入/输出和激光输入/输出灵活可选，可以广泛的适用于多种应用场景。可以单独使用也可多片级联。
23.本发明可调光延时线的设计，不仅实现了常规的延时控制，而且利用符合光开关同时实现了幅度控制，不需要采用单独的光衰减器，简化了光控波束形成网络的结构。而且复合光开关设计，使得多路的幅度均衡控制可以实现自动化，避免了复杂的标较和控制过程。
24.本发明的可调光延时线不需要采用色散光波导、多级串联的波分复用器，使得设计和控制简单，对工艺误差的兼容性强。
附图说明
25.图1为本发明提出的一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片总体结构示意图；
26.图2为本发明作为接收波束形成网络时，与相控阵系统其他部分连接关系示意图；
27.图3为本发明作为发射波束形成网络时，与相控阵系统其他部分连接关系示意图；
28.图4光纤拉远模式下，本发明与相控阵系统连接关系示意图(以接收为例)；
29.图5为常规的具备延时和幅度控制功能的可调光延时线的结构示意图；
30.图6为本发明复合光开关的结构示意图；
31.图7为本发明复合光开关的工作原理示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图1-7，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
33.图1是本发明提出的一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片总体结构和芯片架构。芯片主要包含以下单元：m n个电光调制器、m n个光电探测器、n
×
m条可调光延时线、m n个模斑转换器，2m
×
n个测试光探测器、n m个光分路器和n m个波分复用器，其中，n＝2k，m＝2j，k、j为≥0的整数。芯片包含以下对外接口：左侧的射频入口编号111-11n，射频出口编号121-12n，载波激光入口编号131-13n，信号光学接口编号141-14n，。右侧的射频入口编号211-21n，射频出口编号221-22n，载波激光入口编号231-23n，信号光学接口编号241-24n。
34.芯片作为接收波束形成网络时的工作原理和信号流程如下：
35.n路射频信号从射频端口111-11n输入，在电光调制器中，通过电光转换调制到载波上，转化为光信号。载波是通过131-13n输入给各个电光调制器的。每路信号通过光开关，进入光分路器。n路信号也可以通过片外141-14n的光学接口输入，经过模斑转换器进入片上波导，通过光开关，再进入光分路器，此时电光转换功能是通过片外器件或者前级芯片实现的。光分路器将光信号均等的分为m路，然后进入可调光延时线。可调光延时线编号为11，12
……
1m，21，22，
……
2m，
……
，n1，n2，
……
nm。定义可调光延时线编号的第一位为n，第二位为m。光信号的分配方式为：左侧第n个光分路器后第m个端口，输出的光信号，进入延时线nm。
36.光信号在可调光延时线中从左到右传播，经历p个级联光开关，可选延时量为0～2
p
τ，步进为τ。其中第2级到第p-1级，为常规光开关，处于直通态或交叉态。第一级和最后一
级光开关，为复合光开关，复合光开关包括mmi、移相器、抽头光耦合器和光电探测器。复合光开关不仅具备直通态和交叉态，还具备中间干涉态，并具有光功率监测功能。第一级开关处于复合光开关的直通态或交叉态，当做常规光开关使用。最后一级光开关，工作于中间干涉态，可以在实现路径选择同时，控制所选输出端口的输出功率，即同时起到光开关和衰减器的功能，且衰减量可以实现按需自动控制。其具体结构和原理在后续图7中论述。第一级不采用常规光开关，而且采用复合光开关但发挥常规光开关的功能，是因为在接收延时线的第一级光开关，在发射网络中，由于信号流向相反，会变为发射延时线的最后一级光开关，而最后一级需要是复合光开关。
37.可调光延时线的下一级是n合一的波分复用器。合路网络的连接关系是，第nm条可调延时线，连接第m个波分复用器的第n个入口。n路光信号在n合一的波分复用器中合为一路。然后通过光开关，选择是以射频信号输出还是以光学信号输出。以射频信号输出时，光开关切往光电探测器，光电探测器通过强度探测，完成各路信号的光电转换，然后第m个光电探测器的信号，通过端口22m输出，即光控波束形成网络输出的第m个波束。由于各路载波的频率间隔足够大，合路后的各路信号在光电转换过程中，不会发生串扰。以光学信号输出时，光开关切往模斑转换器，通过端口241-24m输出。
38.芯片作为发射波束形成网络时的工作原理和信号流程如下：
39.m路射频信号从射频端口211-21m输入，在电光调制器中，通过电光转换调制到载波上，转化为光信号。载波是通过231-23n输入给各个电光调制器的。每路信号通过光开关，进入光分路器。m路信号也可以通过片外241-24m的光学接口输入，经过模斑转换进入片上波导，通过光开关，再进入光分路器，此时电光转换功能是通过片外器件或者前级芯片实现的。光分路器将光信号均等的分为n路，然后进入延时线。光信号的分配方式为：右侧第m个光分路器后第n个端口，输出的光信号，进入可调光延时线nm。
40.光信号在可调光延时线中从右到左传播，经历p个级联光开关。可选延时量为0～2
p
τ，步进为τ。其中第2级到第p-1级，为常规光开关，处于直通态或交叉态。第一级和最后一级光开关，为复合光开关。第一级开关处于复合光开关的直通态或交叉态，当做常规光开关使用。最后一级光开关，工作于中间干涉态，可以在实现路径选择同时，控制所选输出端口的输出功率，即同时起到光开关和衰减器的功能，且衰减量可以实现按需自动控制。
41.可调光延时线的下一级是m合一的波分复用器。合路网络的连接关系是，第nm条延时线，连接第n个波分复用器的第m个入口。m路光信号在m合一的波分复用器中合为一路。然后通过光开关，选择是以射频信号输出还是以光学信号输出。以射频信号输出时，光开关切往光电探测器，光电探测器通过强度探测，完成各路信号的光电转换，然后第m个光电探测器的信号，通过端口12n输出，即光控波束形成网络输出的第n个天线的信号。由于各路载波的频率间隔足够大，合路后的各路信号在光电转换过程中，不会发生串扰。以光学信号输出时，光开关切往模斑转换器，通过端口141-14m输出。
42.其中，电光调制器采用全硅基设计，波导结构为soi脊型光波导，光学结构主体为马赫-曾德尔干涉器，电学结构主体为pn结；光电探测器和测试光探测器采用波导型的锗硅基锗探测器，波导与探测器的对接方式采用对接耦合；可调光延时线、光分路器和波分复用器采用soi材料的矩形光波导或脊型光波导；芯片整体硅基单片集成。
43.每个电光调制器各输入一路激光载波，且任何两个载波的频率差
△
f》》fb，fb为光
电探测器的最高工作频率。
44.图2是本发明提出的一种硅基单片集成的收发通用光控多波束形成网络芯片作为接收波束形成网络时，与相控阵系统其他部分的连接关系图。相控阵系统阵列天线接收空间传来的微波信号。阵列天线的不同阵元，编号为天线1，天线2，
……
天线n。每个天线后设置射频放大器，编号为射频放大1，射频放大2，
……
射频放大n。天线接收的信号，经过射频放大、滤波等处理后，进入光控波束形成网络芯片。天线n接收的信号，对应芯片输入端口为11n。各个天线的信号在光控波束形成网络芯片中，经过电光转换、分路、分配、延时、幅度控制、合路、光电转换等过程，完成波束形成过程，从输出端口221-22m输出，每个端口输出的信号，对应一个波束，也就是一个空间指向或目标方向。芯片输出的信号，后续经过下变频等处理后，进入基带做信号处理。
45.图3是本发明提出的一种单片集成收发通用的光控波束形成网络芯片作为发射波束形成网络时，与相控阵系统其他部分的连接关系图。基带形成的各个波束的信号，经过上变频等过程后，输入光控波束形成网络芯片。各波束编号为，波束1，波束2，波束m。波束编号为m的信号，进入芯片21m端口。各个波束的信号在光控波束形成网络芯片中，经过电光转换、分路、分配、延时、衰减、合路、光电转换等过程，完成波束形成过程，从输出端口121-12n输出，每个端口输出的信号，对应阵列天线中的一个天线。芯片输出的信号，后续经过功放等，进入阵列天线，发射到空间中。
46.图4是光纤拉远模式下，本发明与相控阵系统连接关系示意图。此模式下，相控阵系统的前端(天线、射频放大、光控波束形成等)，与系统的后端(基带等信号处理和计算机等信息处理)在结构和空间位置上解耦合。前端根据空间信号收发需要，分布在不同的地理位置，信号通过光纤传递至统一中心的做后端处理。以接收波束形成网络为例，此模式下，芯片输出端不再进行光电转换，而是从242-24m接口输出，(经历必要的光学放大后)，通过光纤做长距离传输后进入中心机房。在机房中在做光电转换，转为射频信号，做信号处理。发射相控阵的工作原理和连接关系与之同理，此模式下芯片入口由111-11n切换为141-14n。
47.图5是常规的具备延时和幅度控制功能的可调光延时线的结构示意图。有级联开关延时线完成延时量的调节，由串联的光衰减器负责光功率的调节。延时线由p个光开关和多条不同长度的延时线构成，p-1为延时线的位数。每两级开关之间，长波导与短波导的延时量差异，分别为
△
t，2
△
t，
……
，2
p-1
△
t。p-1级串联，就可以实现
△
t，2
△
t，3
△
t，4
△
t，
……
，2
p
△
t之间的任何延时档位。开关状态右外部输入的控制电压决定，可以出于直通态或交叉态。光衰减器可以根据控制电压的实现不同的衰减量。例如可以采用在硅波导上设计p-i-n二极管结构，利用自由载流子吸收效应，通过电压控制载流子浓度，影响波导折射率，而实现不同的衰减量。
48.延时线在不同延时量下经历的延时路径不同，完成延时后光信号的幅度也不相同。传统上，需要在下一步合路前，通过衰减器将各路信号的幅度调节为一致。确定各路衰减器的衰减量设置为多少，是这样实现的：需要事先标定各通道延时线不同延时量下的损耗值。根据通道数和延时档位，这些需要标定损耗值的状态共有n
×m×2p
个。当光控波束形成网络的天线规模(n)、或波束规模(m)、或延时线位数(p-1)较大时，实现标定的工作量非常大，即使自动测试也非常繁琐。而且损耗值会随着温度、芯片老化等原因发生漂移，损耗
标定的结果会频繁失效。本发明通过复合光开关的设计，不仅避免了额外的光衰减器，节约了芯片功耗和面积，而且省略了繁琐的损耗标定过程。
49.图6为本发明复合光开关的结构示意图。复合光开关中有2个2入2出的多模干涉器(mmi)，两个mmi用两条等长的光波导连接，其中一条或2条光波导上，有光移相器(图中以单臂有光移相器为例，双臂原理相同)。mmi和移相器共同构成马赫曾德干涉仪结构。第二个mmi后方，上下两条出口波导上，各有一个抽头耦合器，耦合器可以抽头少量光功率进入光电探测器。
50.抽头光耦合器是单向结构，抽头光耦合器在复合光开关右侧时，光信号从左到有时会抽头少量光功率(例如1％)，光信号从右到左时，抽头光耦合器是透明的，可认为不存在。抽头光耦合器在复合光开关左侧时，也对从右到左的信号透明。抽头耦合器和光电探测器可以用无接触集成光子探头(clipp)检测等方式替代。由于抽头耦合器的结构具有方向性，左一和右一复合光开关中，抽头耦合器和光电探测器的结构布局是镜像对阵的。
51.图7是为本发明复合光开关的工作原理示意图。以右一光开关为例。为描述方面，做如下定义：信号从左上进入时，右上为直通出口，右下为交叉态出口。信号从左下进入时，右上为交叉态出口，右下为直通态出口。图7中，复合光开关移相器控制电压为vz时，两臂的相位差值为0，信号从直通端输出100％，从交叉端输出0％，此时复合光开关等效于常规光开关的直通态。复合光开关移相器控制电压为v
x
时，两臂的相位差值为π，信号从直通端输出0％，从交叉端输出100％，此时复合光开关等效于常规光开关的交叉态。复合光开关移相器控制电压为vi时，两臂的相位差值为(v
i-vz)/(v
x-vz)*π，信号从直通端输出的比例为cos2[(v
i-vz)/(v
x-vz)*π]，从交叉端输出的比例为sin2[(v
i-vz)/(v
x-vz)*π]，此时复合光开关等效于常规光开关加常规衰减器。以需要左上端口输入，右上端口输出为例，等效于常规光开关处于直通态，衰减器为10lg((cos2(v
i-vz)/(v
x-vz)*π)db。
[0052]
如前所述，在常规设计中，光开关的衰减值设置，是通过光功率计，标校延时线在不同档位下的衰减值。在图7的复合光开关结构中，这种标校过程不再需要，各通道光信号幅度的一致性可以自动控制。自动控制的原理如下：以各延时线末端复合光开关中的抽头耦合器和光电探测器结构，作为功率监测点，可以监测每个延时线完成延时后，输出光功率的大小。在每次延时量参数下发和设置完成后，通过外围控制电路，可以判断哪一条延时线的监测点输出信号的最小(即延时损耗最大)。将监测信号最小的这条延时线，末级复合光开关的等效衰减值设置为零。然后分别调大其他通道的末级复合光开关的等效衰减值，使得各通道监测点的输出信号与最初监测信号最小的这条延时线强度相等。例如，假设本通道延时后，通过末端复合光开关中的监测点测量的输出光功率，比监测信号最小的那一路，功率高l
x
db，则设置本通道的末级复合光开关的等效衰减值为l
x
db。所以，如图7所示的复合光开关，不仅省去了常规设计中用于控制多通道幅度一致性的光衰减器结构，而且可以支持多通道的幅度自动控制。同时在面积与功耗等代价方面，复合光开关相比常规光开关并无明显增大。
[0053]
图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将作为举例的说明造成对权利要求的限制。
[0054]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为
本发明的保护范围。