[发明专利]光子时间拉伸相参雷达芯片

说明书

一种光子时间拉伸相参雷达芯片，包括飞秒脉冲产生部分、雷达发射部分和雷达接收部分，飞秒脉冲产生部分产生高重复频率、宽光谱的飞秒脉冲；雷达发射部分用于发射雷达信号，雷达接收部分用于接收和处理雷达回波信号。本发明通过采用基于片上克尔光学微腔的高重复频率、宽光谱飞秒脉冲作为载波光源，利用飞秒脉冲的高重复频率特性，雷达发射可以通过外差拍频产生高频宽带微波信号，利用飞秒脉冲的高重复频率和宽光谱特性，提高了雷达接收孔径的覆盖范围，同时降低了雷达接收中光子时间拉伸所需色散量，使雷达可以利用集成化的色散器件进行时间拉伸，从而实现光子时间拉伸相参雷达系统的单片集成。

技术领域

本发明属于集成光子技术领域，具体是一种光子时间拉伸相参雷达芯片。

背景技术

雷达是目标探测和识别的重要手段。决定雷达功能、探测精度和响应时间等重要性能的核心关键是雷达能够产生、接收和处理宽带微波信号。光子技术具有高速、宽带和抗电磁干扰等优点，能有效克服电子器件的“带宽瓶颈”，成为提升雷达性能的关键使能技术。脉冲雷达技术具有探测距离远、抗干扰能力强及收发天线可共用等优点，而相参技术可将雷达单次扫描中返回的脉冲回波进行积累以提高探测灵敏度，同时获取目标的多普勒频移，实现对运动目标的探测。另一方面，光子集成技术可以降低雷达系统尺寸、功耗和成本，增强可编程和可重构能力。因此，有机结合宽带光子处理技术、脉冲雷达技术、相参技术以及光子集成技术的相参光子雷达芯片，具有宽带跨频段、实时高精度、多功能一体以及系统可集成等优点，属于下一代雷达芯片，在小卫星、无人机、机器人以及自动驾驶等国防和民用领域具有重要应用潜力。

当前，相参光子雷达的发射机主要通过外差拍频产生宽带微波信号，接收机则主要利用光学信道化、光学模数转换和光子时间拉伸等方式接收宽带回波信号。相比而言，光子时间拉伸方式可以成倍降低宽带回波信号的频率和带宽，后端只需利用低速ADC就可以处理宽带回波信号，是相参光子雷达的重要实现方案之一(即光子时间拉伸相参雷达，W.Zou,et al.All-optical central-frequency-programmable and bandwidth-tailorable radar.Scientific reports,2016,6(1):1-8.)。然而，目前光子时间拉伸相参雷达由于需要高重复频率宽光谱飞秒光源提供飞秒脉冲，且接收机中需要具备较大色散量的色散介质实现对宽带回波信号的时间拉伸。基于片上克尔光学微谐振腔(简称克尔光学微腔)产生锁模的拉伸脉冲孤子有望解决高重复频率宽光谱飞秒光源的难题。首先，片上克尔光学微腔腔长在厘米到微米量级，可产生重复频率从10GHz到几THz之间的锁模脉冲；其次，通过管理克尔光学微腔色散，使激光锁模工作在色散管理机制，此时产生的拉伸脉冲孤子具有光谱宽度大、脉冲宽度窄的特点；第三，片上克尔光学微腔制备工艺与CMOS兼容，可与其它光电器件单片集成，实现光子时间拉伸相参雷达系统芯片。然而，目前尚不具备满足接收机应用需求的片上集成的大色散波导或色散器件。相比之下，光子时间拉伸相参雷达其它关键器件如电光调制器、耦合器、光电探测器等目前都已实现了集成。因此，创新光子时间拉伸相参雷达系统架构，降低对片上集成色散器件的需求是光子时间拉伸相参雷达实现全集成并真正走向实用化的核心关键。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种光子时间拉伸相参雷达芯片。通过利用基于片上克尔光学微谐振腔锁模输出的高重复频率、宽光谱飞秒脉冲作为雷达光源，使雷达可以通过外差拍频产生高频宽带微波信号，并提高雷达接收孔径的覆盖范围，同时降低光子时间拉伸接收所需色散量，使雷达可以利用集成化的色散器件进行时间拉伸，从而实现光子时间拉伸相参雷达系统的单片集成。本发明的光子时间拉伸相参雷达芯片属于下一代雷达芯片，在小卫星、无人机、机器人以及自动驾驶等国防和民用领域具有重要应用。

本发明的技术方案如下：