一種包含雙環(huán)耦合硅基光子芯片的微波光子頻率測量系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波測量系統(tǒng)，特別涉及微波光子學領域的微波頻率測量。
【背景技術】
[0002] 人類社會的發(fā)展使得人類對信息技術的依賴逐漸增加，針對高頻微波信號的處理 技術越來越受到人們的關注。這種需求在民用方面表現(xiàn)為：高頻微波信號處理對高速通信 和精密電子測量設備至關重要；在軍事應用中表現(xiàn)為：對戰(zhàn)場環(huán)境中某些微波頻段信號的 處理，能夠幫助軍方對特定目標實施搜索、跟蹤、識別、截獲以及武器制導等應用。因此，高 頻微波信號處理是整個信息技術發(fā)展中的關鍵環(huán)節(jié)。
[0003] 隨著微波頻率逐步提高，傳統(tǒng)的電學方法在處理40GHz以上高頻微波信號時受到 了越來越大的限制。近年來，隨著光電子學和光通信技術的迅速發(fā)展，以及微波信號產(chǎn)生和 處理等方面的需求，一個嶄新的交叉學科一一微波光子學隨之形成。利用光學方法進行微 波頻率測量是微波光子學領域的重要問題，當前的微波光子學研究，更多的考慮光波和微 波相互作用原理，其驗證性實驗多采用光纖器件和分立光學器件，而這些器件有著不可集 成、易受外界環(huán)境影響等致命弱點，難以在未來應用中保持穩(wěn)定性能，并實現(xiàn)低成本。例如 文獻1和2所述方法，均是利用分立的光學器件完成相關微波頻率測量的。利用集成光學 器件的研究成果，設計小尺寸、可調(diào)諧、低成本的微波光子頻率測量系統(tǒng)是當前的一個重要 課題。該課題涉及到微波光子學與集成光學兩個不同領域。
[0004] 集成光子器件是光電子領域的一項關鍵技術。由于技術的發(fā)展，人們在硅基材料 構成的光學芯片上已經(jīng)可以制作出光耦合器、光分束器、光濾波器等無源光學器件，或是光 調(diào)制器、電光開關等有源光學器件。由于采用絕緣襯底上娃（Silicon-〇n-lnsulator，s〇l) 技術的硅基集成器件能夠很好的與CMOS工藝相兼容，因此硅基器件便于大規(guī)模生產(chǎn)且具 有成本優(yōu)勢，人們希望將光互聯(lián)設備、光通信和光網(wǎng)絡中的某些器件集成在單個硅基光學 芯片上，最終實現(xiàn)片上光網(wǎng)絡（networkonchip，N0C)，從而使集成光學回路（Photonic integratedcircuits，PIC)像集成電路一樣，能夠提供成本較低、功耗較小且性能穩(wěn)定的 光模塊資源，應用在未來信息傳輸和信息處理當中。
[0005] 和光通信領域一樣，微波光子學這個新興的領域也希望將光子器件集成化，從而 更好的完成微波光子頻率測量等功能。文獻3和4提出了基于硅基光子器件實現(xiàn)微波光子 測頻的裝置和方法，這些方案將微波光子測頻系統(tǒng)的集成度大大的提高了，從而更加容易 在實際中應用。文獻3采用馬赫-澤德干涉儀（Mach-Zehnderinterferometer，MZI)結構 的光調(diào)制器和光柵器件的集成來完成微波光子濾波，如圖1所示；而文獻4采用的是包含兩 個輸出端口的單個微環(huán)器件完成微波光子濾波，如圖2所示。
[0006] 以上方案的基本原理和分立的光學器件進行微波光子測頻的原理基本類似，都是 采用兩個光電探測器上的功率比率和微波頻率之間的關系，來反推原始微波頻率，但是它 們采用光子集成的方法實現(xiàn)了微波光子頻率測量系統(tǒng)的部分光學器件，從整體上減小了設 備的體積，提高系統(tǒng)的整體可靠性。然而，從技術層面上說，上述方案還存在一些需要解決 的問題：
[0007] 1)方案中最終得到微波的頻率，都需要結合由光學濾波器結構決定的一個比率函 數(shù)A(f)，在實際測量時，另A(fj=A1，通過數(shù)據(jù)采集與處理單元的計算，從而反推出當前 的微波頻率匕。A(fJ往往是一個復雜的函數(shù)關系，它由多個器件參數(shù)決定，而這些器件參 數(shù)是可能隨著外界環(huán)境的變化而改變，如果僅僅根據(jù)靜態(tài)的器件參數(shù)來確定微波頻率，會 導致很大的測量誤差。因此，每間隔一段時間，需要引入系統(tǒng)的校準過程。
[0008] 2)集成光子器件對外界環(huán)境較為敏感，為保證測量過程中器件參數(shù)變化緩慢，仍 需要溫度控制器等裝置來保持芯片的溫度穩(wěn)定。
[0009] 本發(fā)明將提出一種雙波長的微波光子頻率測量裝置，并提出相關的裝置校正方法 和微波頻率的測量方法。在未來的微波光子系統(tǒng)中，為了減小設備體積，逐步引入集成光學 器件是一種重要的技術路線，而集成光學器件的具體設計和結構，也將和微波光子系統(tǒng)的 性能密切相關。因此，結合微波光子學功能的集成光學器件將是未來重要的研究內(nèi)容，例 如，微波光子測頻集成光學器件。
[0010] 參考文獻：
[0011] 1. Xihua Zou, ffangzhe Li, Wei Pan，Bin Luo，Lianshan Yan，and Jianping Yao,"Photonic approach to the measurement of time-difference-〇f-arrival and angle-〇f arrival of a microwave signal，'，Opt. Lett.，37(4):755-757 (2012).
[0012] 2. Manik Attygalle，and David B. Hunter，"Improved Photonic Technique fbr Broadband Radio-Frequency Measurement，'，IEEE Photon. Technol. Lett,, 21 (4)： 206-208(2009).
[0013] 3.專利：潘時龍，一種基于光子集成回路的微波頻率瞬時測量裝置及方法，授權 號：CN102156221B。
[0014] 4.專利：韓秀友，一種光子集成微波頻率測量系統(tǒng)及方法，授權號：CN 102628893 B〇

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0015] 針對【背景技術】中的需求，本發(fā)明的目的在于提供一種雙波長的微波光子頻率測量 裝置，以及一種微波光子頻率測量裝置的校正方法和基于此裝置的微波頻率測量方法。
[0016] 本發(fā)明提供的微波頻率測量系統(tǒng)，其基本結構如圖3所示，包括：連續(xù)雙波長可 調(diào)諧激光光源（10)，用于提供微波光子系統(tǒng)用的基本光源；硅基光子芯片（20)，該芯片包 含電光調(diào)制功能；溫度控制器（25)，用來控制硅基光子芯片的溫度，保證相關光濾波器的 性能穩(wěn)定；電極（30)，用于將微波放大器輸出微波信號加載到硅基光子芯片的光調(diào)制單元 上；微波天線（40)，用來接收微波信號；微波放大器（50)，用于將微波天線接收到的微波 信號放大；直流電源（55)，用來提供硅基光子芯片上光調(diào)制器模塊的直流偏置電壓；光電 探測器1 (60)，用來接收光調(diào)制后的一個激光波長的信號光功率；光電探測器2 (70)，用來 接收光調(diào)制后的另一個激光波長的信號光功率；數(shù)據(jù)采集與處理單元（80)，用來對光電探 測器1和光電探測器2測量得到的光功率值進行分析，并最終得到所測微波頻率；存儲器 (90)，用來存儲相關數(shù)據(jù)以計算微波頻率；連接光纖（95)，用來連接硅基光子芯片與連續(xù) 雙波長可調(diào)諧激光光源，同時連接光電探測器1和光電探測器2。
[0017] 在本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)中，核心的部分是硅基光子芯片（20)，我們采用了集光 調(diào)制與光濾波為一體的結構，其構成如圖4所示，包括光纖到芯片的輸入耦合器（110)，用 于將光纖輸出的光信號親合進入娃基光子芯片；娃基MZI光調(diào)制器模塊（120)，用來將輸 入的兩個波長的激光進行電光調(diào)制；雙環(huán)耦合硅基光子濾波模塊（130)，用來產(chǎn)生兩個深 度不同的透射光譜線；硅基波分復用模塊（140)，用來分離兩個調(diào)制后的光波；輸出耦合器 1 (150)，用于將娃基光子芯片輸出的光信號親合進入光電探測器1 ;輸出親合器2 (160)，用 于將娃基光子芯片輸出的光信號親合進入光電探測器2。娃基光子芯片（20)中除了集成娃 基MZI光調(diào)制器模塊（120)和硅基波分復用模塊（140)外，還使用了關鍵部分雙環(huán)耦合硅 基光子濾波模塊（130)，該模塊的透射譜線不同于已有的單個微環(huán)的透射譜線，因此，本方 案與文獻4的方案有本質(zhì)差別，而包含兩個環(huán)波導和兩個2X2光學定向耦合器的雙環(huán)耦合 硅基光子濾波器的透射譜線可調(diào)諧，相對于單環(huán)結構有顯著優(yōu)點，這部分內(nèi)容將在實施例 中闡述。
[0018] 在本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)中，微波放大器（50)為可調(diào)諧裝置，可以根據(jù)需要來調(diào) 諧放大器增益，用來保證加載到硅基光子芯片上的微波信號功率在允許的范圍內(nèi)。例如， 射頻信號的功率需要在[_10dBm，0dBm]的范圍內(nèi)，如果微波天線端接收到的射頻信號功率 在-30dBm，則可以將微波放大器的增益調(diào)諧至20dB，微波天線端接收到的射頻信號功率 在-10dBm，則可以將微波放大器的增益調(diào)諧至10dB，從而保證射頻信號的功率在[-10dBm， OdBm]的范圍內(nèi)。
[0019] 考慮到該系統(tǒng)為測量系統(tǒng)，為保證精度，必須定時提供系統(tǒng)校準過程，其方法如 下：
[0020] a)在未加載微波信號時，校正該系統(tǒng)對各個波長的功率響應，得到該娃基光子芯 片的靜態(tài)透射光譜曲線；
[0021] b)根據(jù)靜態(tài)透射光譜曲線選定兩個波長λλ2，作為激光器的兩個工作波長；
[0022] c)將某個頻率f的微波信號調(diào)制到硅基光子芯片上，同時記錄兩個光電探測器的 功率，用λ2的功率除以λ滿功率，得到比值A(f);
[0023] d)在[0,fj的范圍內(nèi)改變微波信號頻率f，重復完成c)，得到不同微波頻率的比 值A(f)，并將其存儲于存儲器中，其中，匕為該系統(tǒng)的最大測量頻率。
[0024] 在這些步驟中，前兩步是關鍵步驟，其中，a)步驟中硅基光子芯片的靜態(tài)透射光譜 曲線可以按照如下方法得到：
[0025] 1)開啟連續(xù)雙波長可調(diào)諧激光光源的一個波長，在其可調(diào)諧范圍內(nèi)連續(xù)變化激光 器波長；
[0026] 2)記錄不同波長時光電探測器1的光功率和光電探測器2的光功率；
[0027] 3)將不同波長時光電探測器1的光功率和光電探測