專利名稱：基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光通信技術領域的射頻移相器，具體是一種基于硅基 環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器。
背景技術：
射頻移相器在射頻相位陣列波束成形和電子戰等領域具有重要的應用價 值。傳統的射頻移相器主要采用開關線以及微波集成電路等技術，這些技術面臨 帶寬和相移范圍的瓶頸。因此利用成熟的光纖和其他光器件，將微波信號轉換到 光波領域進行處理是非常有吸引力的。利用光波技術對寬帶射頻信號進行相位控 制，信號處理的速率快、帶寬大、精度高、相移范圍大，更重要的是器件的體積 和重量與微波器件相比可以大大減小。另外，可控的光子射頻移相器是光控相控 陣的關鍵器件，它控制著天線的掃描方向，基本滿足了相控陣天線中的移相器 所應具有的以下要求移相的數值精確、性能穩定、足夠的頻帶和功率容量、便
于快速控制，具有激勵功率和插入損耗小、體積小重量輕等優點。因此，它是 未來寬帶快速移相器發展的方向，吸引了廣大研究人員的關注。
經對現有技術的文獻檢索發現，西班牙的研究人員A. Loayssa等人發表在 期刊《IEEE Photonics technology Letter〉〉(《IEEE光技術快報》)2006年 第18巻的文章"Broad-band RF photonic phase shifter based on stimulated Brillouin scattering and single-sideband modulation (基于受激布禾ll淵散 射和單邊帶調制的寬帶射頻光子移相器)，"一文中，提及采用基于受激布利淵 散射效應設計寬帶射頻光子移相器。但是這個方法需要采用多個分離的器件，結 構復雜，插入損耗大。而且產生受激布利淵散射效應需要5.4公里長的光纖，因 此難以集成化，限制了它的應用。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器，利用與單根直波導耦合的硅基微環的非線性熱效應 特點，在一定的泵浦功率注入到硅基微環的諧振腔時，泵浦的能量轉化為熱能， 使得諧振腔的波長發生紅移，從而可以靈活實現光調節射頻信號的相移。該技術 具有體積小，結構簡單，成本有效、相移調節范圍大、寬帶操作，以及易于大規 模集成的優點。
本發明是通過以下技術方案實現的
本發明包括泵浦信號光發生系統、載波抑制光雙邊帶產生系統、硅基環 形諧振腔系統、以及測量系統。其中泵浦信號光發生系統和載波抑制光雙邊帶產 生系統的輸出端與硅基環形諧振腔的輸入端相連，硅基環形諧振腔的輸出與測量 系統的輸入端相連。
所述的泵浦信號光發生系統包括第一可調激光器，高功率光放大器，可調 光衰減器。其中第一可調激光器產生連續的激光，波長對應環形諧振腔的一個
諧振峰，其輸出端口與高功率光放大器的輸入端相連；高功率光放大器的輸出端 口與可調光衰減器輸入端口相連；可調光衰減器的輸出端口連接到硅基環形諧振 腔系統中光耦合器的一個輸入端口。
所述高功率光放大器的最高輸出功率可達到22-dB。
所述的載波抑制光雙邊帶產生系統包括第二可調激光器、 一個射頻信號發 生器、 一個馬赫曾德調制器、第一光放大器。其中第二可調激光器產生連續的 激光，波長對應環形諧振腔的另一個諧振峰，該諧振峰的位置與泵浦信號光發生 系統的諧振峰的位置最近。第二可調激光器輸出端口與馬赫曾德調制器的光輸入 端口相連。射頻信號發生器的輸出端口與馬赫曾德調制器的射頻輸入端口相連， 馬赫曾德調制器偏置在傳輸曲線的最低點，得到載波抑制的光雙邊帶信號。馬赫 曾德調制器的光輸出端口連接到第一光發大器的輸入端口。第一光放大器的輸出 端口連接到硅基環形諧振腔系統中光耦合器的另一個輸入端口。
所述硅基環形諧振腔系統包括一個光耦合器和一個硅基環形諧振腔。光耦 合器的輸出連接到硅基環形諧振腔的輸入端口。
所述硅基環形諧振腔由一個硅基微環和一根直波導構成，硅基微環和一根 直波導之間的空氣隙間隔為幾十至幾百納米，硅基環形諧振腔頻譜特征是周期性 的帶阻濾波特性，在諧振波長處的透射率等于0或非常接近0。所述的測量系統包括第二光放大器、窄帶可調光濾波器和示波器。其中硅 基環形諧振腔的輸出與第二光放大器的輸入相連，第二光放大器的輸出連接到可 調光濾波器，窄帶可調光濾波器的輸出端口連接到示波器的輸入端口進行檢測。
所述的窄帶可調光濾波器的3-dB帶寬在0. 3nm-2nm的范圍內。
本發明的原理是利用硅基環形諧振腔的傳輸光譜和它的相位具有相關性的 特點。它在整個自由光譜范圍具有2ii的相位差，且在諧振峰位置的相位是Tt。 當功率較強的泵浦光注入到硅基環形諧振腔時，硅基環形諧振腔將吸收的光能轉 化為熱能，產生非線性熱效應。這種非線性熱效應會使得諧振峰發生紅移，導致 信號的相位發生改變。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果本發明使用的環形諧振腔結構
簡單，體積小，環的半徑只有幾微米至幾十微分，而現有技術中使用多個分離的
器件，體積大，而且需要5.4公里的光纖產生受激布利淵散射效應。另外，使用
絕緣體上硅結構比現有技術中用光纖作材料，更易于大規模的光電集成。這是因
為絕緣體上硅結構刻蝕等用到的工藝與成熟的超大規模集成電路的工藝完全兼
容，而大規模集成的光電器件較分立器件能更節約成本。同時該技術得到的射頻
移相器具有相移調節范圍大、寬帶操作的優點，更適合于需要集成成千上萬個移
相器的相位陣列系統的應用中。


圖l為本發明結構示意圖2為硅基環形諧振腔器件結構其中(a)為硅基環形諧振腔的俯視圖，(b)為硅基微環的橫截面示意圖3為本發明實施例裝置圖4為本發明實施例測試結果其中(a)為為測得的載波抑制光雙邊帶信號的光譜，(b)為測得的沒有發 生相移的原始信號波形和發生最大相移后的信號波形，(c)為輸入的泵浦功率變 化時，所測得的相移變化曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案
為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護
6范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括泵浦信號光發生系統、載波抑制光雙邊帶產 生系統，硅基環形諧振腔系統，以及測量系統。其中泵浦信號光發生系統和載波 抑制光雙邊帶產生系統的輸出端與硅基環形諧振腔的輸入相連，硅基環形諧振腔 的輸出與測量系統的輸入端相連。
所述的泵浦信號光發生系統包括第一可調激光器、高功率光放大器、可調 光衰減器。高功率光放大器的最高輸出功率可達到22-dB。其中第一可調激光 器產生連續的激光，波長對應環形諧振腔的一個諧振峰，其輸出端口與高功率光 放大器的輸入端相連；高功率光放大器的輸出端口與可調光衰減器輸入端口相 連；可調光衰減器的輸出端口連接到硅基環形諧振腔系統中光耦合器的一個輸入 端口。
所述的載波抑制光雙邊帶產生系統包括第二可調激光器、 一個射頻信號發 生器、 一個馬赫曾德調制器、第一光放大器。其中第二可調激光器產生連續的 激光，波長對應環形諧振腔的另一個諧振峰，該諧振峰的位置與泵浦信號光發生 系統的該諧振峰的位置最近。其輸出端口與馬赫曾德調制器的光輸入端口相連。 射頻信號發生器的輸出端口與馬赫曾德調制器的射頻輸入端口相連，馬赫曾德調 制器偏置在傳輸曲線的最低點，得到載波抑制的光雙邊帶信號。馬赫曾德調制器 的光輸出端口連接到第二光發大器的輸入端口。第二光放大器的輸出端口連接到 硅基環形諧振腔系統中光耦合器的另一個輸入端口。
所述硅基環形諧振腔系統包括一個光耦合器和一個硅基環形諧振腔。光耦 合器的輸出連接到硅基環形諧振腔的輸入端口。
所述硅基環形諧振腔由一個硅基微環和一根直波導構成，硅基微環和一根 直波導之間的空氣隙間隔為幾十至幾百納米，硅基環形諧振腔頻譜特征是周期性 的帶阻濾波特性，在諧振波長處的透射率等于0或非常接近0。
所述的測量系統包括第二光放大器、窄帶可調光濾波器和示波器。其中硅 基環形諧振腔的輸出與第二光放大器的輸入相連，第二光放大器的輸出連接到可 調光濾波器。窄帶可調光濾波器的輸出端口連接到示波器的輸入端口進行檢測。 窄帶可調光濾波器的3-dB帶寬在0. 3歷-2nm的范圍內。
如圖2所示，圖2(a)為硅基環形諧振腔的俯視圖。硅基微環半徑為20微米，微環和直波導寬都為250納米，直波導和環之間的空氣間隙為120納米。圖2(b)
為硅基微環的橫截面示意圖。用來制作硅基微環的絕緣體上的硅結構最上方為
250納米厚的單晶硅，中間是3微米厚的二氧化硅緩沖層，最下面是450微米厚的 硅襯底。
如圖3所示，實施例在泵浦信號光發生系統支路，波長為1550. lnm的第一可 調光源輸出的光載波送給高功率光放大器，一個級聯的第一可調衰減器用來調節 輸出的光功率，第一可調衰減器的輸出經過第一偏振控制器，連接到光耦合器的 一個輸入端口。耦合器為50: 50的合路比。在載波抑制光雙邊帶產生系統支路， 波長約為1541.8nm的第二可調激光器輸出的光載波送給馬赫曾德調制器。射頻信 號發生器產生10-GHz的射頻信號，驅動馬赫曾德調制器，偏置電壓約為6.4V，產 生的頻率間隔為20-GHz的載波抑制光雙邊帶信號。馬赫曾德調制器的輸出經過第 一光放大器放大后輸入到0.3-nm帶寬的第一窄帶光濾波器慮掉自發受激輻射噪 聲，然后通過第二偏振控制器連接到光耦合器的另一個輸入端口。耦合器的輸出 端口連接到硅基環形諧振腔后的輸入端口。經過硅基環形諧振腔非線性熱效應的 處理后，從硅基環形諧振腔輸出的信號進入測量系統支路。第二光放大器用來放 大硅基環形諧振腔輸出的信號，用帶寬為O. 3nm的第二窄帶光濾波器分離出載波 抑制光雙邊帶產生系統輸出的信號，然后用示波器記錄其波形。在泵浦光功率為 16 dBm時，可以獲得最大相移為4.6弧度。
如圖4所示，為本發明實施例測試結果圖。圖3(a)為測得的載波抑制光雙邊 帶信號的光譜，從圖中可以看出載波被抑制超過20 dB，頻率間隔為20GHz;圖3(b) 為測得的沒有發生相移的原始信號波形和發生最大相移后的信號波形，從圖上可 以看出，信號經歷了4. 6弧度的最大相移，而且信號的形狀沒有發生失真。圖3(c) 為輸入的泵浦功率變化時，所測得的相移變化曲線，從圖中可以看出，再泵浦功 率約為16 dBm時候，可以獲得最大相移為4.6弧度。
權利要求
1.一種基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器，包括泵浦信號光發生系統、載波抑制光雙邊帶產生系統、硅基環形諧振腔系統、以及測量系統，其特征在于，泵浦信號光發生系統和載波抑制光雙邊帶產生系統的輸出端與硅基環形諧振腔的輸入端相連，硅基環形諧振腔的輸出與測量系統的輸入端相連；所述硅基環形諧振腔系統包括一個光耦合器和一個硅基環形諧振腔，光耦合器的輸出連接到硅基環形諧振腔的輸入端口，其中硅基環形諧振腔由一個硅基微環和一根直波導構成，硅基微環和一根直波導之間的空氣隙間隔為幾十至幾百納米，硅基環形諧振腔頻譜特征是周期性的帶阻濾波特性，在諧振波長處的透射率等于0或非常接近0。
2. 根據權利要求1所述的基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器， 其特征是，所述的泵浦信號光發生系統包括第一可調激光器、高功率光放大器、 可調光衰減器，其中第一可調激光器產生連續的激光，波長對應環形諧振腔的 一個諧振峰，其輸出端口與高功率光放大器的輸入端相連，高功率光放大器的輸 出端口與可調光衰減器輸入端口相連，可調光衰減器的輸出端口連接到硅基環形 諧振腔系統中光耦合器的一個輸入端口。
3. 根據權利要求2所述的基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器， 其特征是，所述高功率光放大器的最高輸出功率可達到22-dB。
4. 根據權利要求1所述的基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器， 其特征是，所述的載波抑制光雙邊帶產生系統包括第二可調激光器、 一個射頻信 號發生器、 一個馬赫曾德調制器、第一光放大器，其中第二可調激光器產生連 續的激光，波長對應環形諧振腔的另一個諧振峰，該諧振峰的位置與泵浦信號光 發生系統的諧振峰的位置最近，第二可調激光器輸出端口與馬赫曾德調制器的光 輸入端口相連，射頻信號發生器的輸出端口與馬赫曾德調制器的射頻輸入端口相 連，馬赫曾德調制器偏置在傳輸曲線的最低點，得到載波抑制的光雙邊帶信號， 馬赫曾德調制器的光輸出端口連接到第一光發大器的輸入端口，第一光放大器的 輸出端口連接到硅基環形諧振腔系統中光耦合器的另一個輸入端口。
5. 根據權利要求1所述的基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器，其特征是，所述硅基環形諧振腔，其傳輸光譜和它的相位具有相關性，在整個自 由光譜范圍具有2 it的相位差，當功率較強的泵浦光注入到硅基環形諧振腔時， 硅基環形諧振腔將吸收的光能轉化為熱能，產生非線性熱效應，這種非線性熱效 應會使得諧振峰發生紅移，導致信號的相位發生改變。
6. 根據權利要求1所述的基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器， 其特征是，所述的測量系統包括第二光放大器、窄帶可調光濾波器和示波器，其 中硅基環形諧振腔的輸出與第二光放大器的輸入相連，第二光放大器的輸出連 接到可調光濾波器，窄帶可調光濾波器的輸出端口連接到示波器的輸入端口進行 檢測。
7. 根據權利要求6所述的基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器， 其特征是，所述的窄帶可調光濾波器的3-dB帶寬在0. 3nm-2nm的范圍內。
全文摘要
一種基于硅基環形諧振腔的光子可調寬帶射頻移相器，屬于光通信技術領域。本發明包括泵浦信號光發生系統、載波抑制光雙邊帶產生系統，硅基環形諧振腔系統，以及測量系統。所述硅基環形諧振腔系統包括一個光耦合器和一個硅基環形諧振腔，光耦合器的輸出連接到硅基環形諧振腔的輸入端口，其中硅基環形諧振腔由一個硅基微環和一根直波導構成，硅基微環和一根直波導之間的空氣隙間隔為幾十至幾百納米，硅基環形諧振腔頻譜特征是周期性的帶阻濾波特性，在諧振波長處的透射率等于0或非常接近0。本發明利用硅基環形諧振腔的非線性熱效應，這種非線性熱效應會使得諧振峰發生紅移，導致探測信號的相位發生改變。
文檔編號G02F1/01GK101320188SQ20081004044
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者旻 仇, 昌慶江, 強 李, 蘇翼凱 申請人:上海交通大學