全芯片集成光生微波装置和方法与流程

本发明属于微波，具体涉及一种全芯片集成光生微波装置，还涉及一种全芯片集成光生微波方法。

背景技术：

1、低噪声微波源在很多科学和技术前沿都有重要应用。在雷达和成像领域，低噪声微波源可以抑制背景噪声，提供更好的分辨率。在通讯和数字采样系统中，低噪声微波源可以提供更高的通信带宽和分辨率。此外，在精密测量领域，低噪声微波源对于大基线干涉仪，精密光谱和实现高精度原子喷泉钟也是不可或缺的重要组成部分。

2、传统基于电子学方案制作的低噪声微波源作为数据传输载波信号时通常会面临以下限制：一方面随着微波频率的提高，损耗也会随之增加，此时虽然可以通过昂贵的微波放大器放大，但是噪声也会被放大，信噪比变差。此外，电子系统还会受到严重的寄生电磁干扰的影响。当微波频率大于100ghz时，传统基于电子频率综合的生成方案变的非常困难且昂贵。此时，利用光学去生成超低噪声微波信号的微波光子学可以克服这些限制并提供传统电子学很难提供的微波生成方案。

3、在微波光子学中，有基于光分频方法利用超稳激光和飞秒激光频率梳生成超低噪声微波源的方案。这种方法获得的微波源信号具有非常低的相位噪声和时间抖动，是目前频率稳定度最高的微波频率源。但是这种方案需要复杂的电子反馈锁定系统,装置整体的体积尺寸很大，功耗高，一般只适合在实验室科研使用。对于一些外场应用场景和对重量功耗敏感的航天应用场景，需要开发出一种小尺寸，低功耗，便携的集成微波源。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是提供一种全芯片集成光生微波装置，解决现有微波生成技术方案中需要电子反馈锁定系统导致体积大、功耗高的不足。

2、本发明的第二目的是提供一种全芯片集成光生微波方法。

3、为实现上述目的，采用以下技术方案：

4、一种全芯片集成的光生微波方案，包括：

5、激光源模块，用于产生连续泵浦激光；

6、微谐振腔模块，包括微谐振腔芯片单元，所述微谐振腔芯片单元包括微谐振腔，用于接收所述激光源模块产生的连续泵浦激光，并通过自注入锁定和非线性效应产生暗脉冲或亮孤子微梳激光；

7、光电探测器模块，包括光电探测器芯片单元，用于将所述暗脉冲或者亮孤子微梳激光梳齿之间的相干拍频信号转化为光生微波信号。

8、本发明中，所述激光源模块包括半导体激光器芯片单元、激光器电流驱动器单元和激光器芯片温控单元；所述激光器电流驱动器单元用于驱动半导体激光器芯片单元获得所需功率和频率的激光，所述激光器芯片温控单元用于控制半导体激光器芯片单元工作温度；所述激光器电流驱动单元用于给激光器芯片提供泵浦电流。通过改变泵浦电流，可以改变激光器芯片输出激光功率和输出激光波长；在自注入锁定中，可以通过扫描激光器电流驱动单元的的泵浦电流，改变泵浦激光的输出频率，从而可以确定自注入锁定区，优化生成的微波信号噪声。

9、进一步地，所述半导体激光器芯片单元中激光器芯片为分布式反馈激光器芯片、分布式布拉格反射激光器芯片、垂直腔面发射激光器芯片和fp腔式激光器芯片中的一种。

10、进一步地，所述激光器芯片为分布式反馈激光器芯片或分布式布拉格反射激光器芯片。

11、本发明中，所述半导体激光器温度稳定度达到0.001℃以下。

12、进一步地，所述激光器温控单元包括第一级控温单元，所述第一级控温单元包括一级散热基座、第一tec控温片，第一温度传感器和第一pid温度控制器；所述第一tec控温片固定在所述一级散热基座上，所述第一温度传感器设于半导体激光器芯片的封装基板上。第一pid温度控制器通过监测半导体激光器芯片封装基板上的第一温度传感器，控制驱动第一tec控温片的电流大小以及极性，从而实现对激光器芯片的有效控温。激光器工作时，可以通过激光器封装基板上的第一温度传感器监测激光器工作温度，并通过第一tec控温片将热量传导到一级散热基座上，从而实现对激光器温度的控制。

13、进一步地，所述激光器芯片固定在第一tec控温片上。

14、受tec控温片的工作机理限制，一级散热基座的温度变化较大时，一级散热基座的温度波动也会一定程度传导到半导体激光器芯片单元上，为解决该问题，本发明可以做以下改进，所述温控单元还包括第二级控温单元，所述第二级控温单元设有第二tec控温片，第二温度传感器，二级散热热沉和第二pid温度控制器，所述第二tec控温片一面固定在一级散热基座上，所述第二tec控温片另一面固定在二级散热热沉上；所述第二温度传感器位于一级散热基座上，可监测一级散热基座温度。第二pid温度控制器通过监测一级散热基座里的第二温度传感器，进而控制第二tec控温片的驱动电流大小及极性，将一级散热基座上的热量传到二级散热热沉上，实现对一级散热基座的有效控温，使得一级散热基座的温度变得稳定。这样可以增加激光器输出频率的稳定性，降低激光器频率噪声谱的噪声，特别是低频段的频率噪声。

15、本发明中，所述微谐振腔芯片单元还包括微谐振腔芯片控温单元；所述微谐振腔芯片控温单元用于稳定微谐振腔的温度，确保微谐振腔的谐振峰频率稳定。

16、进一步地，所述微谐振腔芯片单元中微谐振腔芯片光学损耗小于2.86db/m，或品质因子q0大于10×106。

17、进一步地，所述微谐振腔芯片为氮化硅环形微谐振腔芯片。

18、本发明中，微谐振腔芯片控温单元通常有两种控温方式：一种是通过tec控温片构造一个温度稳定的芯片支撑底座，同时保证微谐振腔芯片与支撑底座良好的热传递，通过支撑底座上的温度传感器控制支撑底座的温度，进而控制微谐振腔芯片的温度；另一种方式为通过对微谐振腔芯片微谐振腔所在区域镀薄膜电阻，通过对薄膜电阻通电流加热控制微谐振腔的温度。两种方式都可以保持微谐振腔谐振峰的频率稳定，微谐振腔温度稳定度达到0.001℃以下。

19、本发明中，所述光电探测器芯片可以是单行载流子光电探测器(utc-pd)、改进型单行载流子光电探测器(mutc-pd)。这两种类型的光电探测器具有大带宽、低暗电流和高响应度优势，可以高效地将微梳激光转换成低噪声微波信号，且转换的微波信号可以覆盖5ghz到300ghz范围。但是基于传统电子学方案生成的微波信号极难达到100ghz以上。

20、本发明中，所述半导体激光器芯片、谐振腔芯片和探测器芯片通过相邻端面耦合的方式进行混合集成，低噪声微波通过射频探针或引线键合输出。

21、进一步地，所述全芯片集成的光生微波装置通过启钥式功能一键输出低噪声微波。

22、进一步地，所述射频探针可以替换为引线键合，将微波信号从高速光电探测器的信号引脚引出。

23、本发明中，得益于集成系统的稳定性，扫描激光器电流到最佳电流值既可以输出低噪声微波信号。

24、一种全芯片集成光生微波方法，包括以下步骤：

25、s1、对激光源产生的连续泵浦激光进行处理，生成暗脉冲或亮孤子微梳激光；

26、s2、将所述暗脉冲或亮孤子微梳激光转化为低噪声微波信号。

27、本发明中，s1具体包括以下步骤：

28、s101、调节激光源产生的泵浦激光的频率，得到调频激光；

29、s102、调频激光在微谐振腔中发生自注入锁定和非线性效应，得到暗脉冲或亮孤子微梳激光。

30、本发明中，s101中调节激光源的泵浦激光频率是通过调节激光源中电流驱动器的驱动电流值实现。

31、本发明中，s102自注入锁定和非线性效应是通过调频激光的频率接近微谐振腔芯片单元的谐振频率实现。

32、本发明中，所述激光源中半导体激光器芯片与微谐振腔芯片单元的间距为微米级别。微谐振腔中因瑞利散射有一部分激光会反射回半导体激光器芯片中，通过调节半导体激光器芯片与集成微谐振腔芯片之前的间距，优化芯片波导间光耦合效率及回散射光的相位，半导体激光器可以通过自注入锁定的方式成功锁定到超高q值的集成微谐振腔上，该锁定可以极大的压窄半导体激光器的线宽。

33、本发明中，所述激光源模块中半导体激光芯片工作温度抖动控制在0.001℃以下。

34、本发明具有以下有益效果：

35、(1)本发明全芯片集成光生微波装置与传统的光生微波方案相比，它是一种全芯片集成的方案，通过利用激光自注入锁定，可以将激光器的频率噪声压低30db以上，获得hz级别本征线宽的窄线宽激光以及暗脉冲或亮孤子微梳，无需电子反馈锁定系统，具有体积尺寸小，功耗低，适用于一些外场应用场景和对重量功耗敏感的航天应用场景。

36、(2)本发明生成的低噪声微波源可以通过启钥式的方式开启，即打开电源按钮，设备运行到设定值后，自动生成基于微梳的低噪声微波信号源，不需要复杂的调节锁定设置。生成的微波频率可以扩展到毫米波和太赫兹波段。可以应用于5g/6g无线通讯，射频天文学以及雷达等领域。

37、(3)本发明光生微波方法是基于相干微梳生成微波源的方法，可以将激光微梳信号通过光纤远距离低损耗传输。这种传输方式的损耗相较传统电微波信号通过同轴电缆传输的损耗要小得多。