专利摘要

一种基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片，包括相位调制器、波分复用器、布里渊增益产生硅波导、带阻滤波器以及锗硅光电探测器。输入的微波信号加载到相位调制器上，产生两个相位相差180度的边带。之后，波分复用器将泵浦光和调制后的信号光合为一路，合波后的光束经过一段具有前向受激布里渊散射效应的硅波导，当泵浦光功率增大到阈值之后，在上边带与泵浦光相差一个布里渊频移的范围内产生增益，最终由锗硅光电探测器生成窄带微波信号。本发明可实现微波信号的带通滤波，具有尺寸小、集成度高、功耗低、通带窄、滤波中心频率灵活可调等优点，能在微波光子信号处理系统中发挥关键作用，具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片，其特征在于，该芯片包括相位调制器(101)、波分复用器(102)、布里渊增益产生硅波导(103)、带阻滤波器(104)和锗硅光电探测器(105)，所述的相位调制器(101)具有光输入端和微波信号输入端，该相位调制器(101)的输出端与所述的波分复用器(102)的探测光输入端相连，所述的波分复用器(102)具有探测光输入端和泵浦光输入端，该波分复用器(102)的输出端与所述的布里渊增益产生硅波导(103)的输入端相连，该布里渊增益产生硅波导(103)的输出端与所述的带阻滤波器(104)的输入端相连，该带阻滤波器(104)的输出端与所述的锗硅光电探测器(105)的输入端相连，该锗硅光电探测器(105)的输出端即为该芯片的输出端；

输入的微波信号加载到所述的相位调制器(101)上对输入光进行调制，所述的波分复用器(102)将泵浦光和调制后的信号光合为一路，合波后的光束经过一段具有前向受激布里渊散射效应的硅波导(103)，最终通过所述的锗硅光电探测器(105)转换生成微波信号输出。

说明书

技术领域

本发明属于微波光子领域，特别是一种基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片。

背景技术

微波光子技术研究将微波技术和光子技术进行结合，突破传统微波技术带宽低、重构性差等瓶颈问题。该技术主要研究微波与光波之间的相互作用，包括利用光学方法来产生、传输及处理微波信号等方面，这项技术的出现给传统微波技术领域带来了新的活力。在微波光子技术领域中，与光子技术及传统微波技术有关的各个领域皆是微波光子技术的研究方向，目前该领域的主要关注点为微波光子传输链路、微波光子信号产生和处理以及集成微波光子器件。

微波滤波器可对微波信号进行分离提取，是微波系统中不可或缺的基本元器件之一。目前，对大带宽、多波段、可重构的高性能微波滤波器有着迫切的需求。然而，在传统的电域中，由于电子瓶颈的约束，上述要求很难实现，很大程度上限制了微波系统的发展。因此，针对这一问题，科研工作者提出了基于微波光子技术的滤波器。

相比于传统的微波技术，光子技术具有带宽大、损耗低、抗干扰等诸多优势，结合了微波技术与光子技术的微波光子滤波器具有大带宽、多波段、可重构等优势，在微波光纤传输系统、光相控阵雷达中具有十分广泛的应用前景。然而，目前大多数的微波光子滤波器都是由分立器件组成的，使得目前的微波光子滤波器存在结构复杂、体积庞大、稳定性低、性能不达标等诸多问题。因此，集成微波光子滤波器成为科研工作者的研究重点。

移动通信的爆炸式增长要求发展具有极高频谱效率的射频技术。在频率捷变系统中，射频滤波器频率调谐范围通常需要覆盖几个GHz甚至几十GHz，与此同时还需要保持高频谱分辨率(MHz精度)以及高选择性以减小通道间串扰。基于光波频率映射的集成微波光子滤波器可以很容易地利用光子宽谱特性实现GHz频率的调谐，然而，这类微波光子滤波器通常具有有限的分辨率(GHz)并且存在关键参数之间的制衡，如无法实现频率调谐范围和分辨率之间的同时优化，因此无法满足高精度微波光子前端信号处理的需求。

近年来，越来越多的科研工作者开始关注将受激布里渊散射效应应用于微波光子滤波器中。受激布里渊散射具有低非线性阈值和窄带宽的优点，其增益带宽在10-100MHz范围内，基于该原理的滤波器则具有百MHz以下的分辨率。因此，微纳波导中的高效受激布里渊散射为高精度微波光子信号处理提供了一种极佳的技术途径。进一步地，如果将受激布里渊散射增益产生波导和调制器、波分复用器、探测器等器件单片或混合集成实现微波光子滤波器，将具有体积小、重量轻、功耗低、稳定性高、性能好等优点，因此具有极高的应用价值。

发明内容

针对现有微波光子滤波器的不足，结合微纳尺寸波导中受激布里渊散射效应的优势，本发明提供一种基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片，该芯片具有尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性好、通带窄、滤波中心频率灵活可调等优点，在移动通信、军事领域都具有很高的应用价值。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片，其特点在于，该芯片包括相位调制器、波分复用器、布里渊增益产生硅波导、带阻滤波器和锗硅光电探测器，所述的相位调制器具有光输入端和微波信号输入端，该相位调制器的输出端与所述的波分复用器的探测光输入端相连，所述的波分复用器具有探测光输入端和泵浦光输入端，该波分复用器的输出端与所述的布里渊增益产生硅波导的输入端相连，该布里渊增益产生硅波导的输出端与所述的带阻滤波器的输入端相连，该带阻滤波器的输出端与所述的锗硅光电探测器的输入端相连，该锗硅光电探测器的输出端即为该芯片的输出端；

输入的微波信号加载到所述的相位调制器上对输入光进行调制，所述的波分复用器将泵浦光和调制后的信号光合为一路，合波后的光束经过一段具有前向受激布里渊散射效应的硅波导，最终通过所述的锗硅光电探测器转换生成微波信号输出。

所述的相位调制器由片上相位调制器构成，该调制器利用硅波导的等离子色散效应，通过调节掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，可以改变硅波导的有效折射率，从而实现对波导中光信号相位的调节，使调制后的信号光产生两个相位相差180度的边带。

所述的波分复用器由分插复用型微环谐振器构成，其中泵浦光和调制后的信号光分别从上行端和输入端输入，并利用硅波导的等离子色散效应或热光效应，通过调节掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，改变波导的有效折射率，从而调节微环的谐振波长，实现泵浦光和调制后信号光的合并传输。

所述的布里渊增益产生硅波导包含一段具有前向受激布里渊散射效应的硅波导，当泵浦光功率较小时，无布里渊增益产生；当泵浦光功率达到硅波导中受激布里渊散射效应的阈值之后，布里渊增益产生，并且该增益的频率与泵浦光的频率相差一个布里渊频移。

所述的带阻滤波器包含一个由直通型微环谐振器构成的微环陷波滤波器，利用硅波导的等离子色散效应或热光效应，通过调节掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，改变波导的有效折射率，可以实现微环谐振波长的调节，从而将波导中的泵浦光完全衰减掉，使得只有输入光载波以及由相位调制器产生的上下边带进入锗硅光电探测器。

所述的锗硅光电探测器包含一个片上锗硅光电探测器，用来实现光信号到电信号的转换，最终输出微波信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明所有不同功能器件所对应的器件全部集成在同一块芯片上，具有芯片尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性高的特点，与CMOS工艺兼容，有利于降低成本，进行大规模生产。

2、本发明受激布里渊散射的增益带宽在10-100MHz范围内，结合光子的宽谱特性，本发明滤波器具有高的频谱分辨率和大的频率调谐范围。

3、本发明不同器件所共同构成的微波光子滤波器具有滤波中心频率灵活可调的优点，滤波频率由泵浦光和探测光的频率差决定，滤波带宽由泵浦光的带宽决定。

附图说明

图1为本发明基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片的整体结构示意图；

具体实施方式

为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图，对本发明作进一步详细的说明。本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片的整体结构示意图。如图1所示，本发明基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片按照功能特点主要分为五个部分：相位调制器101，波分复用器102，布里渊增益产生硅波导103，带阻滤波器104和锗硅光电探测器105。

单一频率的输入光信号从硅波导输入，首先经过相位调制器101。单一频率的输入光信号通过相位调制器时，输入的微波信号加载到相位调制器上进行调制，输入光作为载波，在其两侧产生两个相位相差180度的边带，成为下一器件的输入信号。在这里，利用硅波导的等离子色散效应，即硅材料折射率随自由载流子浓度的变化而变化的特性，通过调节掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，改变硅波导中的自由载流子浓度，从而改变硅材料的折射率，实现对硅波导中光信号相位的调节。

然后，光载波以及由相位调制器101产生的两个边带共同进入波分复用器102进行合波处理。在这一器件中，由分插复用型可调微环谐振器构成的波分复用器102将相位调制器101的输出信号与泵浦光信号合为一路传输。相位调制器101的输出信号和泵浦光信号分别从分插复用型微环谐振器的输入端和上行端输入，利用硅波导的等离子色散效应，通过调节掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，改变硅波导的有效折射率，从而改变微环谐振器的谐振波长，实现两路信号的合并传输。

接着，在波分复用器102中合为一路的信号进入布里渊增益产生硅波导103，合波后的光束经过一段具有前向布里渊散射效应的硅波导，并由泵浦光功率的大小决定是否有布里渊增益产生。当泵浦光功率较小时，无布里渊增益产生，此时上下边带信号幅度完全相同；当泵浦光功率增加并达到硅波导中受激布里渊散射效应的阈值后，在上边带的某个频率范围内会产生增益，该增益的频率和泵浦光相差一个布里渊频移，此时上下边带信号幅度有所不同，在产生布里渊增益的频率处，上边带信号幅度比下边带多出一个布里渊增益的大小。

然后，经过布里渊增益器件后的信号进入带阻滤波器104进行滤波处理。在这一器件中，滤波器由直通型可调微环谐振器构成，目的是将此器件输入信号中的泵浦光完全衰减掉，以确保只有光载波和上下边带进入到锗硅光电探测器105。此器件中的微环谐振器同样利用硅波导的等离子色散效应，通过调节掺杂后的硅波导两侧金属电极所加电压的大小，改变微环的谐振波长，将泵浦光完全滤掉。

最后，只含有光载波和上下边带的信号进入锗硅光电探测器105，拍频产生微波信号并从输出端输出。

图1所示器件结构上方的幅频响应图可以更直观地反映每一器件的功能。在本实施例中，首先，波长为λprobe的单频光信号从芯片输入端输入到相位调制器101，输入的微波信号加载到相位调制器101上对光进行调制，产生两个相位相差180度的边带。接着，在波分复用器102，频率为λpump的泵浦光和调制后的信号光分别从分插复用型微环谐振器的上行端和输入端输入，并最终合为一路信号输出，此时信号光中包含探测光载波、泵浦光以及两个边带。然后，上述信号依次经过后面的布里渊增益产生硅波导13、带阻滤波器104以及锗硅光电探测器105。当泵浦光功率增大到受激布里渊散射效应的阈值之后，此时在上边带与泵浦光频率相差一个布里渊频移的范围内，会有布里渊增益产生。这样，在布里渊增益产生的频率处，上边带信号的幅度比下边带多出一个布里渊增益的大小，导致上下边带无法完全抵消，最终经过锗硅光电探测器105后生成微波信号。

从整体原理及功能来看，该系统中输出微波信号的产生是基于上下边带的相干干涉，该芯片的作用是对输入微波信号的带通滤波，滤波频率由泵浦光和光载波的频率差决定，滤波带宽由泵浦光的带宽决定。

综上所述，按照本发明实现的基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片可以实现对输入微波信号的带通滤波，具有尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性高等特点，能在微波光子滤波领域发挥关键作用。

最后应说明的是，以上内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的普通技术人员应当理解。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

基于硅波导受激布里渊散射效应的微波光子带通滤波芯片专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。