片上自适应光接收机系统、光芯片及通信设备的制作方法

本发明涉及光通信
技术领域：
，尤其涉及一种片上自适应光接收机系统、光芯片及通信设备。
背景技术：
：空间光通信系统是以水/大气等作为传输介质，湍流效应会引起传输介质折射率起伏，从而使光的振幅和相位产生随机变化，影响空间光束质量，特别是湍流引起的波前相位失配对相干光通信的性能影响尤为严重。因此，在空间光通讯系统中需要引入自适应校正技术，用以克服湍流对信号光产生的影响。目前，自适应系统由波前探测器、波前校正器及控制器组成，畸变的波前被自适应系统校正后，耦合到光纤中通过接收机进行解调。其中波前探测器和波前校正器都是空间光学元件，均存在尺寸大、装配困难、难以与接收机集成的问题，无法满足小型化和高集成度的需求。上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种片上自适应光接收机系统、光芯片及通信设备，旨在解决现有技术中片上自适应光接收机系统集成度地尺寸大的技术问题。为实现上述目的，本发明提供了一种片上自适应光接收机系统，应用于光通信，所述片上自适应光接收机系统包括：天线阵列、光学相控阵及光接收模块；其中，所述天线阵列的输出端与所述光学相控阵的输入端连接，所述光学相控阵的输出端与所述光接收模块的输入端连接，所述光接收模块的反馈端与所述光学相控阵的接收端连接；所述天线阵列，用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光学相控阵；所述光学相控阵，用于对所述子光斑进行相移处理及合束处理，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光接收模块；所述光接收模块，用于对所述合束光进行解复用，以获得信标光；所述光接收模块，还用于检测所述信标光的强度信息，根据所述强度信息生成反馈信号，将所述反馈信号输出至所述光学相控阵；所述光学相控阵，还用于根据所述反馈信号对子光斑进行补偿相移处理及强度均衡处理，并将补偿后的补偿合束光输出至所述光接收模块。可选地，所述天线阵列包括多个天线单元；所述光学相控阵包括相移器阵列及可调合束器，所述相移器阵列中包括多个第一相移器，第一相移器的输入端与天线单元的输出端连接，第一相移器的输出端与所述可调合束器的输入端连接；所述相移器阵列，用于对所述子光斑进行相移处理，并将相移处理后的子光斑输出至所述可调合束器；所述可调合束器，用于对相移处理后的子光斑进行合束处理，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光接收模块。可选地，所述光接收模块包括解复用器、接收机芯片及光探测器；所述解复用器的输入端与所述可调合束器的输出端连接，所述解复用器的一输出端与所述接收机芯片的输入端连接，所述解复用器的另一输出端与所述光探测器的输入端连接；所述解复用器，用于对所述合束光进行解复用处理，以获取信号光及信标光，并将所述信号光输出至所述接收机芯片，将所述信标光输出至所述光探测器；所述光探测器，用于检测所述信标光的强度信息，并根据所述强度信息生成反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述光学相控阵。可选地，所述反馈信号包括第一反馈信号，所述相移器阵列，还用于接收所述第一反馈信号，并根据所述第一反馈信号对所述子光斑进行畸变补偿相移处理，以获得补偿子光斑；所述相移器阵列，还用于将所述补偿子光斑输出至所述可调合束器。可选地，所述反馈信号包括第二反馈信号，所述可调合束器，还用于接收所述第二反馈信号，并根据所述第二反馈信号对所述补偿子光斑进行强度补偿及合束，以获取补偿合束光；所述可调合束器，还用于将所述补偿合束光输出至所述解复用器。可选地，所述解复用器，还用于对所述补偿合束光进行解复用，以获取补偿信号光，并将所述补偿信号光输出至所述接收机芯片；所述接收机芯片，用于对所述补偿信号光进行解调。可选地，所述可调合束器包括多个第一两路可调分束器及多个第二两路可调分束器，第一两路可调分束器的输入端与第一相移器的输出端连接，所述第二两路可调分束器依次级联构成分束器级联，第一两路可调分束器的输出端与分束器级联的输入端连接，分束器级联的输出端与解复用器的输入端连接；第一两路可调分束器包括第一耦合器、第二相移器及第二耦合器，所述第一耦合器对应于两个第一相移器，所述第一耦合器的输入端与第一相移器的输出端连接，所述第一耦合器的一输出端与第二相移器的输入端连接，所述第二耦合器的另一输出端与第二耦合器的一输入端连接，所述第二相移器的输出端与所述第二耦合器的另一输入端连接，所述第二耦合器的输出端与分束器级联的输入端连接；第二两路可调分束器包括第三耦合器、第四耦合器、第三相移器与第四相移器；所述第三相移器的输入端为第二两路可调分束器的第一输入端，所述第三相移器的输出端与所述第三耦合器的一输入端连接，所述第三耦合器的另一输入端为第二两路可调分束器的第二输入端，所述第三耦合器的一输出端与所述第四相移器的输入端连接，所述第三耦合器的另一输出端与所述第四耦合器的输入端连接，所述第四耦合器仅有一个输出端。可选地，所述可调合束器由多个第五耦合器级联构成，各第五耦合器包括两个输入端与一个输出端，耦合器级联的输入端与第一相移器的输出端连接，耦合器级联的输出端与解复用器的输入端连接。此外，为实现上述目的，本发明还提出一种光芯片，所述光芯片包括如上所述的片上自适应光接收机系统。此外，为实现上述目的，本发明还提出一种通信设备，所述通信设备包括如上所述的光芯片。本发明通过设置一种片上自适应光接收机系统，应用于光通信，所述片上自适应光接收机系统包括：天线阵列、光学相控阵及光接收模块；其中，所述天线阵列的输出端与所述光学相控阵的输入端连接，所述光学相控阵的输出端与所述光接收模块的输入端连接，所述光接收模块的反馈端与所述光学相控阵的接收端连接；所述天线阵列，用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光学相控阵；所述光学相控阵，用于对所述子光斑进行相移处理及合束处理，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光接收模块；所述光接收模块，用于对所述合束光进行解复用，以获得信标光；所述光接收模块，还用于检测所述信标光的强度信息，根据所述强度信息生成反馈信号，将所述反馈信号输出至所述光学相控阵；所述光学相控阵，还用于根据所述反馈信号对子光斑进行补偿相移处理及强度均衡处理，并将补偿后的补偿合束光输出至所述光接收模块。利用探测器检测合束后的光强度作为反馈，控制相移器进行相位补偿，控制可调分光比的合束器完成强度均衡。本发明可以在光芯片上(可以是绝缘体上硅/氮化硅/磷化铟等材料体系)实现，尺寸小，无需装配，且可以将自适应系统与接收机系统集成在同一个芯片上，从而满足小型化和高集成度的需求，也解决了空间光与芯片的耦合问题。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1是本发明空间光通信自适应系统原理图；图2为本发明片上自适应光接收机系统第一实施例的第一结构示意图；图3为本发明片上自适应光接收机系统第一实施例的第二结构示意图；图4为本发明片上自适应光接收机系统天线阵列的均匀阵示意图；图5为本发明片上自适应光接收机系统天线阵列的稀疏阵示意图；图6为本发明片上自适应光接收机系统可调合束器的输出强度分布示意图；图7为本发明片上自适应光接收机系统第二实施例的结构示意图。附图标号说明：标号名称标号名称100天线阵列301解复用器200光学相控阵302接收机芯片300光接收模块303光探测器101天线单元ps1～ps4第一至第四相移器201相移器阵列c1～c5第一至第五耦合器202可调合束器2021第一两路可调分束器2022第二两路可调分束器本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参考图1，图1是本发明空间光通信自适应系统原理图；图2为本发明片上自适应光接收机系统第一实施例的第一结构示意图。本发明实施例提供了一种片上自适应光接收机系统，应用于光通信，所述片上自适应光接收机系统包括：天线阵列100、光学相控阵200及光接收模块300；其中，所述天线阵列100的输出端与所述光学相控阵200的输入端连接，所述光学相控阵200的输出端与所述光接收模块300的输入端连接，所述光接收模块300的反馈端与所述光学相控阵200的接收端连接。易于理解的是，天线阵列100、光学相控阵200及光接收模块300之间通过光波导进行连接。参考图1，激光器发出的光通过调制器调制与光放大器的放大作用，输出至传输介质中，所述传输介质可以为水或者大气，由于传输介质水/大气的湍流效应，会产生波前畸变，接收端的自适应系统接收到空间光后对空间光进行探测并补偿相位畸变。应当理解的是，本实施例的片上自适应光接收机系统是在光芯片上(芯片材料平台可以是绝缘体上硅、氮化硅也可以是磷化铟等，包括但不限于上述材料，本实施例不对此加以限制)实现。所述天线阵列100，用于对接收到的空间光进行分隔，以获取多个子光斑，并将所述子光斑输出至所述光学相控阵200。需要说明的是，所述天线阵列100可以为一维天线阵列或者二维天线阵列，其包含多个天线单元，天线单元将接收到的空间光的光斑分隔为多个子光斑，并耦合进光波导中，输出至下一级器件。所述光学相控阵200，用于对所述子光斑进行相移处理及合束处理，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光接收模块300。易于理解的是，所述光学相控阵200包括相移器阵列与可调合束器，所述相移器阵列用于对各个子光斑进行相位控制，所述可调合束器用于对相移后的子光斑进行合束，将合束光通过光波导输出至下一级器件。所述光接收模块300，用于对所述合束光进行解复用，以获得信标光。需要说明的是，所述光接收模块300包括解复用器、光探测器及接收机芯片，所述解复用器用于将合束光解复用为信标光及信号光，所述接收机芯片用于接收信号光，所述光探测器用于接收信标光，并根据信标光的强度，生成对应的反馈信号。所述光接收模块300，还用于检测所述信标光的强度信息，根据所述强度信息生成反馈信号，将所述反馈信号输出至所述光学相控阵200。应当理解的是，为了降低校正误差，信标光和信号光的波长需要比较接近；具体实施中，解复用器根据实际需求进行设计。所述反馈信号，用于控制相移器阵列进行相位补偿，控制可调合束器进行强度补偿，以防止强度不均衡。所述光学相控阵200，还用于根据所述反馈信号对子光斑进行补偿相移处理及强度均衡处理，并将补偿后的补偿合束光输出至所述光接收模块300。需要说明的是，所述光信相控阵200中至少包括可调合束器，所述可调合束器可以根据所述反馈信号对所述子光斑进行补偿，以解决其强度不均匀的问题。应当理解的是，经过反馈并补偿的合束光输出至光接收模块中的解复用器，解复用器将补偿合束光解复用为信号光与信标光，所述接收器芯片对补偿后的信号光进行解调，从而获取畸变影响较小的信号。在空间光通讯系统中，湍流效应会引起传输介质折射率起伏，从而使光的振幅和相位产生随机变化，影响通讯质量。本实施例自适应接收机系统不仅可以控制相移器补偿相位，还可以控制可调分光比的合束器实现强度均衡。进一步地，图3为本发明片上自适应光接收机系统第一实施例的第二结构示意图。所述天线阵列100包括多个天线单元101；所述光学相控阵200包括相移器阵列201及可调合束器202，所述相移器阵列201中包括多个第一相移器ps1，第一相移器ps1的输入端与天线单元101的输出端连接，第一相移器ps1的输出端与所述可调合束器202的输入端连接。需要说明的是，所述天线单元101的数量等于所述第一相移器ps1的数量。应当理解的是，对于倾斜入射的空间光的光斑，每根天线接收到的光斑的光程是不同的，因此子光斑进入到每根天线的相位不同，利用光探测器检测到的光强度反馈控制相移器可以补偿倾斜带来的相位差异。使得本实施例的片上自适应接收机系统可以实现大角度范围接收。省去倾斜镜等用于精对准的装备和元件。图4为本发明片上自适应光接收机系统天线阵列的均匀阵示意图；图5为本发明片上自适应光接收机系统天线阵列的稀疏阵示意图。易于理解的是，天线阵列100可以是一维天线阵列，也可以是二维天线阵列，可以是均匀阵，也可以是稀疏阵或者稀布阵；稀疏阵或者稀布阵可以消除栅瓣的影响，实现超大角度范围接收。所述相移器阵列201，用于对所述子光斑进行相移处理，并将相移处理后的子光斑输出至所述可调合束器202。需要说明的是，相移器阵列201中的所述第一相移器ps1可以是基于热光效应的相移器、基于电光效应的相移器或其他类型的相移器。所述可调合束器202，用于对相移处理后的子光斑进行合束处理，以获取合束光，并将所述合束光输出至所述光接收模块300。需要说明的是，根据实际应用的需求，合束器可以是mmi(multimodeinterference，多模干涉)级联、定向耦合器级联、星形耦合器或者1*nmmi构成的。所述光接收模块300包括解复用器301、接收机芯片302及光探测器303；所述解复用器301的输入端与所述可调合束器202的输出端连接，所述解复用器301的一输出端与所述接收机芯片302的输入端连接，所述解复用器301的另一输出端与所述光探测器303的输入端连接。易于理解的是，解复用器301可以是微环结构、马赫-曾德尔干涉仪结构、布拉格光栅结构或其他结构的；接收机芯片可以是直检测或者相干接收机。所述解复用器301，用于对所述合束光进行解复用处理，以获取信号光及信标光，并将所述信号光输出至所述接收机芯片302，将所述信标光输出至所述光探测器303。所述光探测器303，用于检测所述信标光的强度信息，并根据所述强度信息生成反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述光学相控阵200。继续参考图3，所述可调合束器202包括多个第一两路可调分束器2021及多个第二两路可调分束器2022，第一两路可调分束器2021的输入端与第一相移器ps1的输出端连接，所述第二两路可调分束器2022依次级联构成分束器级联，第一两路可调分束器2021的输出端与分束器级联的输入端连接，分束器级联的输出端与解复用器301的输入端连接；第一两路可调分束器2021包括第一耦合器c1、第二相移器ps2及第二耦合器c2，所述第一耦合器c1对应于两个第一相移器ps1，所述第一耦合器c1的输入端与第一相移器ps1的输出端连接，所述第一耦合器c1的一输出端与第二相移器ps2的输入端连接，所述第二耦合器c2的另一输出端与第二耦合器c2的一输入端连接，所述第二相移器ps2的输出端与所述第二耦合器c2的另一输入端连接，所述第二耦合器c2的输出端与分束器级联的输入端连接；第二两路可调分束器2022包括第三耦合器c3、第四耦合器c4、第三相移器ps3与第四相移器ps4；所述第三相移器ps3的输入端为第二两路可调分束器2022的第一输入端，所述第三相移器ps3的输出端与所述第三耦合器c3的一输入端连接，所述第三耦合器c3的另一输入端为第二两路可调分束器2022的第二输入端，所述第三耦合器c3的一输出端与所述第四相移器ps4的输入端连接，所述第三耦合器c3的另一输出端与所述第四耦合器c4的输入端连接，所述第四耦合器c4仅有一个输出端。易于理解的是，本实施例中第一至第四相移器为同种相移器，所述第一至第四耦合器为同种耦合器。所述第一至第四耦合器可以为3db耦合器。所述反馈信号包括第一反馈信号，所述相移器阵列201，还用于接收所述第一反馈信号，并根据所述第一反馈信号对所述子光斑进行畸变补偿相移处理，以获得补偿子光斑。所述相移器阵列201，还用于将所述补偿子光斑输出至所述可调合束器202。所述反馈信号包括第二反馈信号，所述可调合束器202，还用于接收所述第二反馈信号，并根据所述第二反馈信号对所述补偿子光斑进行强度补偿及合束，以获取补偿合束光；所述可调合束器202，还用于将所述补偿合束光输出至所述解复用器301。需要说明的是，所述可调合束器202由多个两路可调分束器级联构成，可以分级控制实现多路可调合束。进一步地，所述解复用器301，还用于对所述补偿合束光进行解复用，以获取补偿信号光，并将所述补偿信号光输出至所述接收机芯片302；所述接收机芯片302，用于对所述补偿信号光进行解调。需要说明的是，第一两路可调分束器2021的输入端口，也即第一耦合器c1的两个输入端。所述第二两路可调分束器2022的输入端口，也即第三相移器ps3的输入端与第四耦合器c4的第二输入端。设，第二两路可调分束器2022的输入端口分别输入的光表示为：输入端口的两路光经过相移器后可以分别表示为：其中，a12+a22＝1。易于理解的是，e为光对应的电场强度，ei1为第三相移器ps3的输入端接收的电场强度，ei2为第四耦合器c4的第二输入端，a为振幅，a1为第三相移器ps3的输入端的振幅，a2是第四耦合器c4的第二输入端的振幅，为相位，为第三相移器ps3的输入端的初相位，是第四耦合器c4的第二输入端的初相位，为第三相移器ps3进行的相移相位。进一步地，根据传输矩阵可以计算出输出端的电场为：经过计算，可以解出第四耦合器c4输出端的强度为：基于上述原理，首先控制的第二相移器ps2来实现相位补偿，初始状态下，第三相移器ps3的相位为0，第三相移器ps3接收到的强度可表示为：当调节第二相移器ps2使输入端两路光强度相等时，输出最大。然后控制完成强度均衡，第一个相移器调节完成后，调节第三相移器ps3的相移相位θ使强度最大，强度可以表示为：po＝a2/2(1+(a12-a22)sin(θ)+2a1a2cos(θ))根据公式：可以得到输出光强与θ和的关系图。举例说明：假定a＝1，输入端光强比例为1：3，则有：a1＝1/2,参考图6，图6为本发明片上自适应光接收机系统可调合束器202的输出强度分布示意图。从图6中可以得知，如果合理设定θ和的范围，可以得到最优解。本实施例，利用探测器检测合束后的光强度作为反馈，控制相移器进行相位补偿，控制可调分光比的合束器完成强度均衡。本发明可以在光芯片上(可以是绝缘体上硅/氮化硅/磷化铟等材料体系)实现，尺寸小，无需装配，且可以将自适应系统与接收机系统集成在同一个芯片上，从而满足小型化和高集成度的需求，也解决了空间光与芯片的耦合问题。基于本发明第一实施例，提出本发明第二实施例，参考图7图，7为本发明片上自适应光接收机系统第二实施例的结构示意图。所述可调合束器202由多个第五耦合器c5级联构成，各第五耦合器c5包括两个输入端与一个输出端，耦合器级联的输入端与第一相移器ps1的输出端连接，耦合器级联的输出端与解复用器301的输入端连接。需要说明的是，所述第五耦合器c5也为3db耦合器，本实施例直接利用级联3db耦合器合束，根据计算，两路合束器的输出强度为：控制相移器阵列实现相位补偿，使得此时po最大。本实施例与第一实施例相比，结构更为简单，适用于不需要强度均衡的，光斑的空间分布比较均匀的情况下。本实施例，利用探测器检测合束后的光强度作为反馈，控制相移器进行相位补偿，控制可调分光比的合束器完成强度均衡。本发明可以在光芯片上(可以是绝缘体上硅/氮化硅/磷化铟等材料体系,还可以包括更多材料，本实施例不对此加以限制)实现，尺寸小，无需装配，且可以将自适应系统与接收机系统集成在同一个芯片上，从而满足小型化和高集成度的需求，也解决了空间光与芯片的耦合问题。此外，为实现上述目的，本发明还提出一种光芯片，所述光芯片包括如上所述的片上自适应光接收机系统。由于本光芯片采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。此外，为实现上述目的，本发明还提出一种通信设备，所述通信设备包括如上所述的光芯片。由于本通信设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的片上自适应光接收机系统，此处不再赘述。此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器(readonlymemory，rom)/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12