[发明专利]基于片上克尔光频梳的二维光学波束形成网络

说明书

本发明公开了一种基于片上克尔光频梳的二维光学波束形成网络，包括半导体激光器、片上微环谐振腔、输入耦合波导、输出耦合波导、射频信号源、第一解复用器、调制器阵列、Y延时线阵列、波分复用器、分束器、X延时线阵列和解复用器阵列；片上微环谐振腔产生克尔光频梳的等间隔多频率光谱，经过解复用、调制、二维空间的X方向延时和Y方向延时后输入到波束形成处理模块以及对应的天线阵元，最终实现二维平面在空间中m×n个角度的指向。本发明可充分发挥片上器件的性能优势，提升微波光子系统在二维空间的多波束扫描特性，进一步提高微波光子系统核心部件的小型化水平。

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种片上集成克尔光频梳的二维光学波束形成网络。

背景技术

由于“电子瓶颈”的限制，传统相控阵雷达中的电学波束形成网络的波束指向与信号频率相关，在承载宽带射频信号时，雷达会产生“波束倾斜”效应，严重影响雷达系统的波束指向精度。高性能雷达普遍要求有较高的带宽、精确的波束指向性、高灵敏度和波束扫描快而准。突破传统电域技术局限，应用微波光子学理论，是当前解决宽带雷达系统“波束倾斜”等问题的重要途径。

基于片上光学波束形成网络结构，以微波光子系统为代表的波束形成和指向控制技术平台，在军事对抗中发挥着重要作用。微波光子雷达抗干扰能力强，可探测高速、高机动性目标，可对多目标同时进行跟踪，便于实现分布式的雷达系统。为保证这些优点得以充分发挥，需要相控阵系统具备灵活的扫描特征、准确的波束指向、极低的旁瓣电平等性能。面向未来网格化、信息化、现代化的战场条件，迫切要求微波光子雷达系统可以提供更大的瞬时带宽、更高的动态范围、更好的电磁兼容性、更精确的延时控制、更窄的波束、更小的体积质量以及更低的能耗。

此外，在电子对抗中，多雷达协同工作等对带宽和实时性要求高的领域中，需要片上光学波束形成网络这种能够提供大带宽和良好的实时性的微波处理技术，以满足新形势下战场对军事技术的严苛要求。

二维光学波束形成网络可实现二维空间任意波束角度的扫描，近年来受到越来越多的关注。由于其大阵列、多通道的特性，通常需要若干个频率间隔相同的单频光源作为微波信号载波，并在光链路通过波分复用方式进行处理。目前，波分复用系统通常采用可调谐半导体激光器阵列。但是，每个可调谐半导体激光器只提供一个激光载波。因此，为实现多波束系统需要若干个可调谐半导体激光器来提供必要的波分复用激光载波，对系统整体的尺寸、成本和能耗方面造成不利影响。另外，可调谐半导体激光器之间的频率稳定性和相位相干性较差，考虑到相邻信道激光器之间的频率漂移，必须在波分复用信道之间留出较大的频带作保护，将导致系统的容量降低到香农极限以下。

克尔光频梳可以提供大量兼具频率稳定性和超低相位噪声的等频率间隔激光波长，它可以通过兼容CMOS芯片集成工艺的片上微环谐振器产生，常用的材料体系包括氮化硅、铌酸锂、以及氮化铝等，通过调控微腔的有效折射率来决定孤子态克尔光频梳谱线的频率间隔，作为片上光学波束形成网络的光载波源优势明显。首先，它可以很好地符合光链路波分复用对于频率间隔的要求；其次，它的频率稳定性和相位噪声性能比可调谐半导体激光器阵列高几个数量级，通过泵浦激光对微腔的自注入锁定，可以利用一个超低噪声泵浦激光器通过克尔光频梳实现若干个具有相当线宽的激光载波；另外，它兼容CMOS工艺，能与片上波束形成网络混合集成，完全替代可调谐半导体激光器阵列，对于波束形成系统的集成化和小型化发展具有重要推动作用。

发明内容

本发明主要目的在于提供基于片上克尔光频梳的二维光学波束形成网络，以实现微波光子系统多波束、大角度范围精确扫描，进一步提高微波光子系统的多维扫描性能和片上集成化水平。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种基于片上克尔光频梳的二维光学波束形成网络，包括：

半导体激光器；

片上微环谐振腔，其输入端通过一输入耦合波导与半导体激光器连接；其输出端连接一输出耦合波导；该片上微环谐振腔用于产生克尔光频梳；