一种面向微波光子雷达的光子采样芯片及其应用系统的制作方法

[0001]
本发明涉及一种面向微波光子雷达应用的光子采样芯片，属于集成微波光子技术领域。


背景技术：

[0002]
基于新兴雷达技术的发展以及新型态势感知的迫切需求，雷达朝着高频、宽带、实时、多功能全频谱探测方向发展。得益于微波光子技术的快速发展，微波信号的光域操控，如光子传输、光子混频、光子采样、光子真延时等为克服传统雷达电子瓶颈问题，提高雷达技术性能，提供了新的技术支撑，成为下一代雷达的关键使能技术(参见[j.capmany,d.novak,"microwave photonics combines two worlds,"nature photonics,vol.1,no.6,pp.319-330,2007.]与[j.mckinney,"photonics illuminates the future of radar,"nature,vol.507,no.7492,pp.310-312,2014.])。如基于光子技术的光子采样技术利用高重频光窄脉冲可实现微波信号的采样，相关技术已在新型雷达发射/接收技术中使用(参见[p.ghelfi,f.laghezza,f.scotti,d.onori,a.bogoni,"photonics for radars operating on multiple coherent bands,"journal of lightwave technology,vol.34,no.2,pp.500-507,2016.])，但目前基于光子带通采样的接收方案中，光脉冲重频较小，限制了可接收信号带宽；且发射与接收模块分立，增加了整个系统的复杂度，降低了系统的稳定性。此外该技术只实现了信号的频谱搬移，仍需满足奈奎斯特采样条件的模数转换器(adc)。在对宽带信号采样处理时仍需高速adc及高速率信号处理器，从而限制了整个系统工作的实时性。一种基于偏振复用电光调制器实现发射信号光子采样上变频及接收信号光子带通采样方案解决了上述问题(参见[郭清水、陈佳佳，“基于光子采样的偏振复用微波光子雷达探测方法及系统”，申请公布号：cn 111538028 a，申请时间，2020.07.07])，但上述方案的实现需基于光通信领域的专用电光调制器，从而需额外的检偏器链路对发射光信号及接收光信号偏振态做检偏识别，导致环境的扰动引起检偏的非理性泄露，从而影响系统稳定性。
[0003]
而本发明提出了一种新的解决思路，基于单个集成光子采样芯片实现基带信号的光子采样上变频及接收信号的光子带通采样下变频，并基于光电域的去调频技术，最终得到携带目标信息的中频信号；无需偏振态控制，集成波导代替了收发光纤链路，且主要功能部件片上一体化集成，提高了系统稳定性，方案简单紧凑、体积小。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术不足，基于采样原理，利用光脉冲信号实现基带信号的采样上变频及接收信号的带通采样下变频，雷达发射信号波段灵活可调，接收信号可实时光子带通采样及去斜。将雷达信号产生与接收功能部件集成在同一个芯片上，系统紧凑简单，稳定性高、体积小、成本低。
[0005]
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0006]
一种面向微波光子雷达的光子采样芯片，所述光子芯片由以下光子组件组成：第一1
×
2光耦合器、第一马赫-曾德尔调制器、第二1
×
2光耦合器、高频光电探测器、第二马赫-曾德尔调制器、2
×
1光耦合器以及低频光电探测器；各光子组件之间通过光波导连接；第一1
×
2光耦合器的一路输出端连接第一马赫-曾德尔调制器的输入端，第一马赫-曾德尔调制器的输出端连接第二1
×
2光耦合器的输入端，第二1
×
2光耦合器的一路输出端连接高频光电探测器，第二1
×
2光耦合器的另一路输出端连接2
×
1光耦合器的一路输入端，第一1
×
2光耦合器的另一路输出端连接第二马赫-曾德尔调制器的输入端，第二马赫-曾德尔调制器的输出端连接2
×
1光耦合器的另一路输入端，2
×
1光耦合器的输出端连接低频光电探测器；外部采样光脉冲(光频梳)由第一1
×
2光耦合器的输入端输入；外部基带信号由第一马赫-曾德尔调制器的射频输入端输入并调制进入第一马赫-曾德尔调制器的光脉冲，实现基带信号的光子采样上变频；由高频光电探测器实现高频雷达探测信号的产生；雷达接收信号由第二马赫-曾德尔调制器的射频输入端输入并调制进入第二马赫-曾德尔调制器的光脉冲，实现接收信号的光子带通采样；由低频光电探测器实现参考光信号及接收光信号的光电域去调频，得到携带目标信息的中频信号。
[0007]
优选地，所述第一1
×
2光耦合器、第二1
×
2光耦合器及2
×
1光耦合器为多模干涉结构，或y分支结构，或定向耦合器结构。
[0008]
优选地，所述马赫-曾德尔调制器采用硅、或铌酸锂、或三五族半导体、或硅-三五族半导体混合、或石墨烯集成；其中第一马赫-曾德尔调制器的频率响应带宽需覆盖基带信号的频率，第二马赫-曾德尔调制器的频率响应带宽需覆盖雷达接收信号的频率。
[0009]
进一步地，所述光电探测器采用硅、或三五族材料/石墨烯、或氮化硅集成；其中高频光电探测器频率响应需覆盖雷达期望工作频段，低频光电探测器频率响应需覆盖所有中频信号。
[0010]
进一步地，所述光波导采用磷化铟、或硅、或氮化硅上平面波导、或铌酸锂集成。
[0011]
在上述技术方案基础上可还可进一步得到以下技术方案：
[0012]
一种面向微波光子雷达的光子采样芯片应用系统，其特种在于，包括脉冲(频梳)激光源、光放大器、基带信号源、发射单元(包含带通滤波器、功率放大器、发射天线)、接收单元(包括接收天线、低噪声放大器)、信号采集与处理单元、以及上述光子采样芯片；脉冲激光源与光放大器输入端连接，光放大器输出端通过光纤波导耦合方式与第一1
×
2光耦合器输入端连接，基带信号源与第一马赫-曾德尔调制器的射频输入端连接，发射单元与高频光电探测器输出端连接，接收单元与第二马赫-曾德尔调制器的射频输入端连接，信号采集与处理单元与低频光电探测器的射频输出端连接。
[0013]
优选地，所述脉冲(频梳)激光源可以为锁模激光器、飞秒激光器、光频梳发生器、单频信号外调制电光调制器、单频光源泵浦微谐振腔获得。
[0014]
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0015]
1)本发明基于同一光脉冲实现基带信号与接收信号的采样，且收发光信号在芯片集成波导中传输，无需光纤链路，从而保证雷达接收/参考光信号传输的稳定与相干。
[0016]
2)本发明基于雷达新架构实现功能器件的单片系统集成，相比利用现有通用分立光电器件，可省略额外附加功能器件，如偏振敏感的光检偏器；从而简化系统，提高系统稳定性。
[0017]
3)本发明基于微波光子集成技术，单片集成了光子采样上变频及光子带通采样所需的马赫-曾德尔调制器，生成高频探测信号所需的高频探测器、光电去调频所需的低频探测器，方案简单紧凑。
附图说明
[0018]
图1为本发明光子采样芯片结构示意图；图中各标号含义如下：1、第一1
×
2光耦合器，2、2
×
1光耦合器，3、第二1
×
2光耦合器；
[0019]
图2为本发明基于光子采样芯片的雷达应用系统结构示意图；图中各标号含义如下：1、第一1
×
2光耦合器，2、2
×
1光耦合器，3、第二1
×
2光耦合器，4、带通滤波器，5、功率放大器，6、发射天线，7、接收天线，8、低噪声放大器，9、光放大器。
具体实施方式
[0020]
针对现有技术的不足，本发明的思路是基于光子采样上变频技术产生高频段、可调谐的线性调频雷达发射信号，通过光子带通采样下变频及去斜方法实现高频宽带回波信号接收，在单个集成模块上同时实现上述功能，系统结构简单紧凑，稳定性好，雷达工作参数灵活可调，信号处理实时高效。
[0021]
本发明的一种面向微波光子雷达的光子采样芯片，如图1所示，包括集成光子组件有：第一1
×
2光耦合器1、第一马赫-曾德尔调制器(mzm1)、第二1
×
2光耦合器3、高频光电探测器(hfpd)、第二马赫-曾德尔调制器(mzm2)、2
×
1光耦合器2以及低频光电探测器(lfpd)；各光子组件之间通过光波导连接；第一1
×
2光耦合器1的上路输出端连接第一马赫-曾德尔调制器的输入端，第一马赫-曾德尔调制器的输出端连接第二1
×
2光耦合器3的输入端，第二1
×
2光耦合器3的上路输出端连接高频光电探测器，第二1
×
2光耦合器3的下路输出端连接2
×
1光耦合器2的上路输入端，第一1
×
2光耦合器1的下路输出端连接第二马赫-曾德尔调制器的输入端，第二马赫-曾德尔调制器的输出端连接2
×
1光耦合器2的下路输入端，2
×
1光耦合器2的输出端连接低频光电探测器。
[0022]
基于光子采样芯片的雷达应用系统一个具体实施例如图2所示，其包括：光子采样芯片、脉冲激光源、光放大器9、基带信号源(bs)、发射单元(包括带通滤波器4、功率放大器5、发射天线6)、接收单元(包括接收天线7、低噪声放大器8)、信号采集与处理单元(adc&dsp)。
[0023]
需要说明的是，所述脉冲(频梳)激光源可以为锁模激光器、飞秒激光器、光频梳发生器、单频信号外调制电光调制器、单频光源泵浦微谐振腔获得，此处优选锁模激光器(mll)。
[0024]
首先，锁模激光器输出信号送入光放大器9进行放大，光放大器9的输出端信号通过光纤-波导耦合进入第一1
×
2光耦合器1，锁模激光器输出信号时域为周期光脉冲，频域为光频梳，频域频谱f
comb
可以表达为：
[0025]
f
comb
＝f
c
±
nf
lo
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0026]
其中n为正整数，f
c
为偏差频率，f
lo
为光频梳频率间隔，为时域脉冲周期的倒数。第一1
×
2光耦合器1的上路输出光信号送入第一马赫-曾德尔调制器，基带信号源产生的频率为f0+kt(0≤t≤t)的线性调频信号源通过第一马赫-曾德尔调制器对进入的光脉冲进行调
制，实现光子采样，其中f0为线性调频信号的起始频率，t为时间，t为其周期，k为其调频斜率，此时第一马赫-曾德尔调制器输出光信号瞬时频率f
comb_m
(t)可以表示为：
[0027]
f
comb_m
(t)＝f
c
±
[nf
lo
±
(f0+kt)](0≤t≤t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0028]
第一马赫-曾德尔调制器输出光信号进入第二1
×
2光耦合器3分成两路，第二1
×
2光耦合器2的下路输出光信号送入2
×
1光耦合器2的上路输入端，第二1
×
2光耦合器3的上路输出光信号进入高频光电探测器完成光电转换并送入芯片外的带通滤波器4进行滤波，得到上变频的线性调频信号，其频率为：
[0029]
f
comb_t
(t)＝nf
lo
+f0+kt(0≤t≤t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0030]
其中通过改变带通滤波器4的通带频率即改变n的大小可改变信号频段，将上变频后的线性调频信号经电功率放大器5放大后送入发射天线6，信号经发射天线6辐射到空间中，遇到探测目标后产生目标回波信号，目标回波信号经接收天线7接收并送入低噪声放大器8中进行放大，得到雷达接收信号，当目标为单点目标时，接收信号的频率f
lfm_r
(t)可表示为：
[0031]
f
lfm_r
(t)＝nf
lo
+f0+k(t-τ)(0≤t≤t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0032]
其中τ为接收信号相对发射信号的延时。第一1
×
2光耦合器1的下路输出光信号送入第二马赫-曾德尔调制器，用雷达接收信号调制送入第二马赫-曾德尔调制器的光脉冲信号，实现光子带通采样，得到接收调制光信号，接收调制光信号其频率f
comb_mr
(t)可以表示为：
[0033]
f
comb_mr
(t)＝f
c
±
[nf
lo
±
(f0+k(t-τ))](0≤t≤t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0034]
将接收调制光信号送入2
×
1光耦合器2的下路输入端，与其上路输入端的信号合为一路从输出端输出，并送入低频光电探测器，低频光电探测器完成光电转换后即可得到携带目标信息的中频信号kτ。将该中频信号模数转换后，基于雷达信号处理算法即可得到目标距离、速度、散射特性等信息。
[0035]
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。