一种无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块的制作方法

1.本发明属于光通信与微波光子技术领域，涉及一种无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块。


背景技术：

2.微波光子技术是一种融合了微波技术和光子技术的新兴技术，也被称为射频光子技术或模拟光子技术。自上世纪70年代以来，随着光纤技术、集成光学、半导体技术和微波单片集成技术发展与成熟，微波光子技术随之诞生，它主要研究光信号与微波电信号相互作用而延伸出的一系列器件与应用问题。
3.在过去几十年，各国的科研人员致力于研究新的微波光子技术，并将该技术应用于宽带无线接入网络、传感网络、雷达、卫星通信和电子战等领域。并对于不同的应用领域，微波光子技术的研究已经得到越来越多的关注。微波光子系统的主要功能包括微波光子学涵盖的主题：微波和毫米波信号的光子形成，微波和毫米波信号的光子处理，光纤无线电系统和光子模数转换以及光控相控阵列天线。
4.其中，光控阵列相控阵列天线，采用微波光子真延时技术，具有带宽大、损耗低、抗电磁干扰等独特优势。能有效解决传统相控阵天线由于带宽受到孔径效应导致的波束偏斜和孔径渡越时间限制，带宽难以进一步扩展的问题。是目前最有潜力的宽带相控阵天线的实现途径。
5.在过去，相对成熟的光控相控阵天线，主要采用光纤延时线。但是，相比于传统的微波移相器芯片，光纤延时线体积大，难以集成在天线组件中，同时精度受光纤切割工艺限制，无法满足未来高集成与高精度的需求。近年来随着片上激光器、薄膜铌酸锂调制器、硅基延时器件以及高速探测器的迅猛发展，已经逐步将光控相控阵天线的核心器件芯片化，但是各个独立器件之间的耦合依然是通过光纤连接，而光纤过大的弯曲半径不利于系统的进一步集成。并且，铌酸锂调制器反馈控制以及片上各个器件的信号监测不仅需要通过光纤将光信号引出，还需要通过片外的光电转换才能实现相应的功能，因此现阶段片上激光器、薄膜铌酸锂调制器、硅基延时器件以及高速探测器的控制电路都是分开设计的，难以实现小型化、集成化。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块，不需要引入任何光纤，能够极大的缩减模块的体积，实现小型化集成化。
7.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
8.一种无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块，包括片上激光器1、ln调制器2、可调光延时线3、可调光衰减器4、高速光电转换装置5、调制器监测光电转换装置7、监测光电转换装置8、薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9、直流稳压驱动接口10、直流偏置接口11、射频接口12、集成bias-tee13和直流控制与监测接口14；
9.片上激光器1用于在直流稳压驱动接口10的驱动下产生适用于本模块波长的光信号，输出至ln调制器2；
10.ln调制器2用于根据直流偏置电压工作于工作点电压，并将射频信号调制到光信号上，将调制的光信号输出至调制器监测光电转换装置7；
11.调制器监测光电转换装置7用于将99％的光信号输出至可调光延时线3，将1％的反馈光信号转换为电信号，将换转后的电信号输出至薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9；
12.可调光延时线3用于根据直流控制与监测接口14的波控信号将光信号进行延时，将延时后的光信号输出至可调光衰减器4；还用于将光信号输出至监测光电转换装置8，并根据监测光电转换装置8的反馈实现延时线开关状态的标定；
13.可调光衰减器4用于将延时后的光信号进行衰减后输出至高速光电转换装置5；
14.高速光电转换装置5用于将衰减后的光信号转化为射频信号，输出至外部；
15.监测光电转换装置8用于对可调光延时线3进行相应延时波导的光强监测，实现延时线开关状态的标定；
16.薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9用于根据调制器监测光电转换装置7输出的电信号，对ln调制器2进行偏执电压的补偿；
17.直流稳压驱动接口10用于给片上激光器1提供工作电流；
18.直流偏置接口11用于通过集成bias-tee13给ln调制器2提供直流偏置电压；
19.射频接口12用于通过集成bias-tee13给ln调制器2提供射频信号；
20.直流控制与监测接口14用于给可调光延时线3提供波控信号。
21.进一步的，采用异质异构集成技术将片上激光器1通过iii-iv族直波导和薄膜铌酸锂直波导与ln调制器2连接。
22.进一步的，采用异质异构集成技术将调制器监测光电转换装置7通过薄膜铌酸锂直波导和硅直波导与可调光延时线3连接。
23.进一步的，可调光延时线3与可调光衰减器4之间以及可调光衰减器4与高速光电转换装置5之间均通过硅直波导连接。
24.进一步的，调制器监测光电转换装置7包括1:99定向耦合器和光电探测器；
25.1:99定向耦合器用于将99％的光信号输出至可调光延时线3，将1％的反馈光信号采用异质异构集成技术通过薄膜铌酸锂直波导和硅基直波导输出至光电探测器；
26.光电探测器用于将1％的反馈光信号转换为电信号，将转换后的电信号输出至薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9。
27.进一步的，薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9包括放大器芯片、ad芯片、单片机和da芯片；
28.放大器芯片用于将电信号放大后输出至ad芯片；
29.ad芯片用于将放大后的电信号转换为数字信号，并输出至单片机；
30.单片机用于通过二值分割法进行数字信号的分析和处理，并确定补偿电压，将补偿电压输出至da芯片；da芯片用于将补偿电压施加在ln调制器2上。
31.本发明无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块具有如下优点：
32.1、利用光的自然特性实现的无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模代
替传统的移相器，没有传统模拟相控阵由于孔径效应导致的波束偏斜和孔径渡越时间带来的限制，从而适用于超宽带、高性能相控阵系统。
33.2、利用异质异构集成技术将片上激光器、薄膜铌酸锂调制器、可调光延时线、可调光衰减器、调制器监测光电转换装置、监测光电转换装置以及高速光电转换装置集成在一个全集成微波光子波束形成芯片上，消除由于各个分立器件之间需要光纤耦合带来的限制，能够有效缩减体积，实现小型化设计，大大提高集成度。
34.3、采用芯片化的光电转换技术，消除由于铌酸锂调制器反馈控制以及片上各个器件的信号监测需要光纤传输以及片外光电转换带来的限制，能够有效缩减体积，实现小型化设计，大大提高集成度。
35.4、采用多功能一体化控制电路实现薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块、直流稳压驱动接口、直流偏置接口、射频接口、集成bias-tee以及直流控制与监测接口多种功能，能够有效缩减体积，实现小型化设计，大大提高集成度。
36.5、在薄膜铌酸锂调制器工作点发生漂移时，通过调制器监测光电转换装置将光信号转为电信号并输入薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块，由薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块针对任意点的偏置电压进行补偿以消除因工作点漂移而引起的调制效率降低。
37.6、可调光延时线、可调光衰减器等硅基器件采用的是绝缘衬底上的硅材料soi，是指在sio2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，利用soi材料制成的硅波导，其芯层是si(折射率为3.45)，包层是sio2(折射率为1.45)，这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小，利于大规模集成。
38.7、采用薄膜铌酸锂调制器阵列实现多通道电光信号转换。与硅光调制器相比，薄膜铌酸锂调制器具有更大的带宽、更低的半波电压、更高的线性度，因此更适合微波光子应用。
39.8、由全集成微波光子波束形成芯片及相应的多功能、一体化控制电路构成，全面消除光纤带来的影响，使得器件体积小，扩展性好，便于与其他元件整合。
附图说明
40.图1是本发明无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块的结构示意图。
41.图2是本发明全集成微波光子波束形成芯片的结构示意图。
42.图3是本发明多功能、一体化控制电路板的结构示意图。
43.图4是本发明用于ln调制器监测的片上光电转换装置结构示意图。
44.图5是本发明可调光延时线监测光电转换装置的结构示意图。
45.图6是本发明薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块单片机的工作流程图。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
47.如图1-图3所示，本发明无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块，包括片上激光器1、ln调制器2、可调光延时线3、可调光衰减器4、高速光电转换装置5、调制器监测光电转换装置7、监测光电转换装置8、薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9、直流稳压驱动接口10、直流偏置接口11、射频接口12、集成bias-tee13和直流控制与监测接口14；
48.片上激光器1为iii-iv族芯片，ln调制器2、1:99定向耦合器2.4为薄膜铌酸锂芯片，可调光延时线3、可调光衰减器4、高速光电转换装置5、光电探测器3.5和可调光延时线的若干监测光电转换装置8均为绝缘衬底上的硅芯片简称soi芯片。薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9、直流稳压驱动接口10、直流偏置接口11、射频接口12和集成bias-tee13均在集成在一块多功能、一体化pcb控制电路板上。
49.片上激光器1用于在直流稳压驱动接口10的驱动下产生适用于本模块波长的光信号，输出至ln调制器2；
50.ln调制器2用于根据直流偏置电压工作于工作点电压，并将射频信号调制到光信号上，将调制的光信号输出至调制器监测光电转换装置7；
51.调制器监测光电转换装置7用于将99％的光信号输出至可调光延时线3，将1％的反馈光信号转换为电信号，将换转后的电信号输出至薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9；
52.可调光延时线3用于根据直流控制与监测接口14的波控信号将光信号进行延时，将延时后的光信号输出至可调光衰减器4；还用于将光信号输出至监测光电转换装置8，并根据监测光电转换装置8的反馈实现延时线开关状态的标定；
53.可调光衰减器4用于将延时后的光信号进行衰减后输出至高速光电转换装置5；
54.高速光电转换装置5用于将衰减后的光信号转化为射频信号，输出至外部；
55.监测光电转换装置8用于对可调光延时线3进行相应延时波导的光强监测，实现延时线开关状态的标定；
56.薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9用于根据调制器监测光电转换装置7输出的电信号，对ln调制器2进行偏执电压的补偿；
57.直流稳压驱动接口10用于给片上激光器1提供工作电流；
58.直流偏置接口11用于通过集成bias-tee13给ln调制器2提供直流偏置电压；
59.射频接口12用于通过集成bias-tee13给ln调制器2提供射频信号；
60.直流控制与监测接口14用于给可调光延时线3提供波控信号。
61.iii-iv族芯片、薄膜铌酸锂芯片、soi芯片之间采用异质异构集成技术进行光学耦合封装，各个元器件通过iii-iv族直波导1.1、薄膜铌酸锂直波导2.1、2.3、硅直波导3.1、3.3、3.4连接，片间采用异质异构集成技术进行耦合，具体的连接关系在图2中有详细约束。
62.调制器监测光电转换装置7结构如图4所示，由1:99定向耦合器2.4和光电探测器3.5构成，元器件之间的的连接关系在图1中有详细约束，其中片间采用异质异构集成技术进行耦合。
63.1:99定向耦合器2.4用于将99％的光信号输出至可调光延时线3，将1％的反馈光信号采用异质异构集成技术通过薄膜铌酸锂直波导2.2和硅基直波导3.2输出至光电探测器3.5；
64.光电探测器用于将1％的反馈光信号转换为电信号，将转换后的电信号输出至薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9。
65.如图5所示，可调光延时线监测光电转换装置8由若干光电探测器构成，以实现相应延时波导的光强监测。
66.薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9包括放大器芯片、ad芯片、单片机和da芯
片；放大器芯片用于将电信号放大后输出至ad芯片；ad芯片用于将放大后的电信号转换为数字信号，并输出至单片机；单片机用于通过二值分割法进行数字信号的分析和处理，并确定补偿电压，将补偿电压输出至da芯片；da芯片用于将补偿电压施加在ln调制器2上。
67.下面结合图1对本发明无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块的工作原理及流程进行介绍：
68.1)直流稳压驱动接口10经过引线10.1驱动片上激光器1产生适用于本模块波长的光信号；
69.2)通过iii-iv族直波导1.1、薄膜铌酸锂直波导2.1输入给ln调制器2；
70.3)通过集成bias-tee 13、直流偏置接口11和射频接口12将直流信号和射频信号通过电路板上的引线13.1一起提供给ln调制器2，令ln调制器2工作于工作点电压，并将射频信号调制到光信号上。在工作过程中，ln调制器2输出的光信号通过1:99定向耦合器2.4将1％的光输入至光电探测器3.5实现ln调制器2信号的光电转换。并将转换成的电信号通过电路板上的引线9.1输入给薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9实现偏置电压进行的补偿以消除因工作点漂移而引起的调制效率降低；
71.4)通过薄膜铌酸锂直波导2.3和硅直波导3.1将调制后的光信号传输给可调光延时线3。与此同时，根据实际工作需求的延时，通过直流控制与监测接口14实现延时线开关状态的标定和控制，实现微波光子波束形成所需延时量；
72.5)通过硅直波导3.3、可调光衰减器4以及硅直波导3.4将衰减后的光信号送至高速光电转换装置5将延时后的光信号转化为射频信号。实现光控信号处理，从而满足光控相控阵微波光子波束形成的使用需求，并由电路板上的引线13.2送至光控相控阵的下一级tr组件中。
73.下面结合图1补充说明ln调制器2自动反馈控制工作流程：ln调制器2输出的光信号经1:99定向耦合器2.4分为两束。其中一束为输出的调制光信号，另一束为1％反馈光信号，反馈光信号通过光电探测器3.5实现ln调制器2信号的光电转换，并通过电路板上的引线9.1将转换后的电信号输入给薄膜铌酸锂调制器自动反馈控制模块9中的放大器芯片后输出给ad芯片。ad芯片将模拟电信号转换为数字信号，并输出给单片机。单片机通过如图6所示的二值分割法进行信号的分析、处理并确定电压。最后经da芯片将合适的补偿电压施加在ln调制器2上，使其稳定工作在工作点电压上。
74.下面结合图6补充说明二值分割法工作流程：
75.1)在设定初始电压v0后，发送da的数据，读取信号功率，同时记录此时的v0对应的功率数据p0；
76.2)通过连续施加电压va和vb(vb与va相差δv)并记录相应的功率值pa及pb，并判断与工作点对应功率(峰值功率的一半)从而进行循环，直至确定工作点电压；
77.3)满足条件后持续判定，以保持补偿电压将铌酸锂调制器的直流偏置电压维持在工作点电压附件。
78.可以看出本发明无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块能够应用于宽带相控阵列接收天线之中。片上激光器在接收到直流驱动信号后产生光信号，天线单元接收的射频信号配合直流偏置信号输入到ln调制器中，调制器完成电光转换，使射频信号转化为光信号。光信号在可调光延时线中得到延时，然后进入相应的探测器。探测器完成光
电转换，输出延时后的射频信号。其中，可调光延时线的延时量由波控系统传来的控制信号决定。为了保证光芯片的工作稳定性，集成了ln调制器自动反馈控制模块，不需要引入额外的光纤。本发明包含的全集成微波光子波束形成芯片，各个芯片之间均采用异质异构集成技术，同样不需要引入额外的光纤。因此，本无光纤高集成的全电反馈控制的光控信号处理模块相较于传统器件，具有更小的体积、更高的集成度，适用于未来宽带相控阵列接收天线。
79.以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，同等替换，改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。