用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片

本发明属于毫米波成像，具体涉及用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片。

背景技术：

1、毫米波成像技术可实现全天候、全天时的高分辨微波成像，是一种利用毫米波照射目标，计算得到目标微波像的技术。然而面对成像分辨率以及计算资源需求的不断增加，传统体制的毫米波成像技术在灵敏度、计算资源开销、功耗及系统复杂性等方面面临巨大挑战。微波光子成像技术通过引入光子技术低延迟、大带宽、出色的抗电磁干扰等优势，有效克服电子器件的技术瓶颈，其中，基于孔径变换的微波光子成像系统可实现实时前视二维成像，具有高灵敏度、低成本、低计算资源开销和低功耗的特点，满足现代成像技术的发展方向。

2、微波光学孔径变换成像系统采用作为微波孔径的微波天线阵列对微波波前进行空间采样，经过电光转换阵列转换到光域，并经过作为光学孔径的光纤阵列输出成像，除了载频上转换至光域外，其他微波波前的相位、振幅等信息均保持不变，并通过光学阵列天线完成微波天线的复刻，这一过程称为孔径变换。各个通道信号光经过光学阵列天线出射后，在光域通过光学透镜实现在焦平面的成像。微波光学孔径变换成像系统可实现实时前视二维成像，具有高灵敏度、低计算资源开销的特点。

3、微波光学孔径变换成像系统如图1所示。系统采用喇叭天线阵列209接收微波回波，经过电光调制器阵列210转换到光域，转换的载频，即光载波，由激光器201、光放大器202和分束器203提供至电光调制器阵列210。除了载频上转换至光域外，其他微波波前的相位、振幅等信息均保持不变，再通过光学天线阵列215完成微波天线的复刻，这一过程称为孔径变换。光发射天线阵列215射的光波经光滤波模块204、光学透镜205傅里叶变换成像在位于焦平面的红外相机206。在该成像过程中，还可以包括相位控制模块211对电光调制器阵列210的输出进行控制，可以通过相位修正模块101为相位控制模块提供修正信号，相位修正模块101的输入可以来自于分束器214提供的参考光路以及分光镜207、212和光探测器213构成的反馈光路。

4、在微波光学孔径变换成像系统中，关键技术是微波波前的相位及振幅等信息的稳定性控制，常用的技术方式是采用空间光处理的方式，利用二维探测器阵列，基于相干合成提取反馈信号，利用分立移相器阵列，实现相位实时补偿修复，并且通过二维光纤阵列发射到空间中，实现波前信息从微波天线孔径到光发射天线阵孔径的变换。但是在上述方案中，系统由光移相器阵列、二维光纤阵列、二维光电探测器、分束/合束棱镜等分立器件组成，存在通道一致性差、工艺复杂、成本高等问题，同时带来了可靠性、环境适应性等方面的不足，限制了微波光学成像系统在小型化平台的应用。

5、为了解决该问题，本发明采用集成光子手段，在光芯片上将多通道相位控制模组、光孔径天线阵列和光学移相器阵列等功能模组集成到同一个芯片上，利用集成光子技术高可靠性、高集成度和低成本的优势，大大降低系统的复杂度、体积和成本，解决微波光学成像系统小型化平台应用的需求，提升系统可靠性与环境适应性。

技术实现思路

1、本技术的一些实施例提供了一种用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片，所述芯片上集成多个第一端面耦合器、一个第二端面耦合器、多个光功率分配器，多个光学移相器、多个路由光波导、多个光发射天线、级联的多个分束器、多个光耦合器，多个光合束器和多个光电探测器；其中，所述多个第一端面耦合器、所述多个光功率分配器，所述多个光学移相器、所述多个路由光波导和所述多个光发射天线形成多个主光路部分；其中由一个所述第一端面耦合器、一个所述光功率分配器、一个所述光学移相器、一个所述路由光波导，和一个所述光发射天线构成一个主光路部分；在每个所述主光路部分，所述第一端面耦合器位于所述芯片的边缘，用于耦合输入信号光，输入信号光经过所述光功率分配器后输出大占比第一信号光部分和小占比第二信号光部分；所述大占比的第一信号光部分传输至所述光学移相器，然后通过所述路由光波导实现通道物理长度的控制，最后由所述光发射天线发射至空间进行后续空间光处理；其中，由所述第二端面耦合器、所述级联的多个分束器，所述多个所述光耦合器、所述多个光合束器，和所述多个光电探测器组成包括多个参考光支路的参考光路部分，所述参考光路部分的每个所述参考光支路耦合一个主光路部分；其中，所述第二端面耦合器被构型为将参考光耦合进入所述级联的分束器，所述级联的分束器被构型为将所述参考光分成多个支路参考光部分，每个支路的所述参考光部分被分别送入一个所述光合束器，每个所述光合束器还同时接收一路所述第二信号光部分，对所述参考光部分和所述第二信号光部分进行合路，并输出至一个所述光电探测器并在所述光电探测器进行相干合成得到误差电信号；所述误差电信号经处理分析得到相位补偿信号，并被反馈至所述主光路部分的所述光学移相器，实现所述主光路的第一信号光部分的相位稳定控制。

2、在一些实施例中，所述光电探测器被构型为对所述第二信号光部分和所述参考光部分进行相干合成后拍频得到所述误差电信号。

3、在一些实施例中，所述用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片使用硅上氮化硅的集成光子工艺制造，包括硅层和氮化硅层，其中，所述第一端面耦合器、所述第二端面耦合器、所述多个光功率分配器，所述多个光学移相器、所述多个路由光波导，所述多个光发射天线位于所述硅层，其中所述级联的分束器形成于所述氮化硅层，所述级联的分束器的输出通过层间耦合器耦合至所述硅层并与在所述硅层传输的所述第二信号光合束至所述光电探测器。

4、在一些实施例中，所述光功率分配器是定向耦合器、非等分多模干涉器或功率可调的马赫曾德尔光开关。

5、在一些实施例中，所述光学移相器是电光移相器、pn结型光移相器、热光移相器或微机电移相器。

6、在一些实施例中，所述光发射天线是光栅耦合器或超表面器件。

7、在一些实施例中，所述光合束器是层间耦合器、定向耦合器、多模干涉器或y分支。

8、在一些实施例中，所述用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片由多材料体系异质异构集成工艺制造。

9、在一些实施例中，还包括芯片上的处理分析电路以对所述误差电信号进行处理得到所述相位补偿信号。

10、在一些实施例中，还包括电信号输出接口和电信号输入接口以通过所述电信号输出接口将所述误差电信号送至芯片外的处理分析电路，并通过电信号输入接口输入处理得到所述相位补偿信号。

11、本技术的一些实施例还提供了一种微波光学成像系统，其包括微波天线阵列、低噪放阵列、上述用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片、光处理引擎和处理终端；微波天线阵列接收目标回波微波信息并通过低噪放阵列进行微波信号放大，利用电光调制器阵列将微波信号上转换至光域，多路的光信号通过光纤耦合到用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片上，发射到基于空间傅里叶变换的光处理，传输到红外相机成像。

12、相比现有技术，本技术中的用于微波光学成像系统用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片具有以下有益效果：

13、本技术采用光子集成手段，在光芯片上将多通道幅相控制模组、光孔径天线阵列和光学移相器阵列等功能模组集成到同一个芯片上，利用集成光子技术高可靠性、高集成度和低成本的优势，大大降低系统的复杂度、体积和成本，解决微波光学成像系统小型化平台应用的需求，提升系统可靠性与环境适应性。

14、本技术的一些实施例在用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片上实现波前的相位保真光发射，取代微波光学系统中分立的移相器阵列、相位控制探测器阵列以及二维光纤阵列发射天线，实现了微波光学成像系统中波前信息从微波天线孔径到光波天线孔径的保真变换，在体积、复杂度、可靠性等方面具有显著优势。

15、本技术的一些实施例提出的基于用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片的微波光学成像系统，无需额外的用于相位控制的空间光路，就可以实现波前孔径变换，系统结构更加简单，集成度更高，稳定性更强。

16、在一些实施例中，所述的用于微波光学成像系统的集成波前探测及修复光芯片使用硅上氮化硅的半导体集成光子加工工艺制成，包括第一器件层，即硅层，和第二器件层，即氮化硅层，其中所述第二器件层主要用于实现级联的所述分束器的分束得到多个所需的参考光部分，以避免过多的波导交叉。