CN105490136A - 直接调制激光器微带制备方法及由此得到的微带和激光器 - Google Patents

Abstract

一种直接调制激光器微带的制备方法，方法包括：确定负载的等效负载的电路元件值，选择微带等效电路模型及元件参数值X₀，使实际反射系数小于最大反射值S_max；求出微波信号加载到激光器中引起的反射系数S₁₁和微带等效电路模型中电路元件参数X的关系，然后找出在电路元件参数X＝X₀时，反射系数S₁₁最大灵敏度相对的频率点f₀；在确定微带模型的结构以及宽度，改变微带的长度求出微带模型在上述频率范围内的反射系数，通过其对应的等效电路元件参数值，调整微带长度。将电路模型中电路元件对应的微带尺寸按照电路模型中电路元件的排列顺序连接形成微带。本方法在较宽的频率范围内实现了微波信号源激光器的匹配。

Description

直接调制激光器微带制备方法及由此得到的微带和激光器

技术领域

本发明涉及电子线路和微波领域，具体涉及一种直接调制激光器微带制备方法及由此得到的微带和激光器。

背景技术

直接调制激光器是将电信号直接转换为光信号，与通过激光器和调制器集成的间接调制来实现信号转化方案相比，直接调制微腔激光器可以实现更小的器件体积和更低的能量损耗。然而，由于微波信号源的阻抗和微腔激光器的等效阻抗不匹配，微波信号源信号加载到激光器时会引起一定的反射。当反射过大时，会对激光器的调制带宽产生影响。

目前，解决的激光器和微波信号源的不匹配的方法是在信号源和激光器间增加一个串联电阻来达到匹配，但是没法在较大的微波信号频率范围内都达到较好的匹配。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种直接调制激光器微带的制备方法，以解决微波信号在较大的频率范围内激光器和微波信号源的不匹配问题。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种直接调制激光器宽带微带的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：确定激光器负载的等效负载的电路元件值，选择微带等效电路模型及元件的参数值X₀，使得微波信号源的信号加载到激光器实际应用的频率范围内的反射系数小于最大反射值S_max，其中S_max＜-5dB；

步骤二：加载微波信号至激光器中，其中微波信号阻抗为Z₀，再根据选择的微带等效电路模型及元件的参数值计算加载后元件引起的反射系数S₁₁，并计算反射系数S₁₁最大灵敏度相对的微波信号频率点f₀；

步骤三：确定微带模型的结构以及宽度，改变微带的长度求出微带模型在上述频率点f₀的反射系数；

步骤四：计算出步骤三的反射系数对应的等效电路元件参数值X(f₀)，，判断X(f₀)和X₀的大小，若减小微带的长度，转入步骤三；若增大微带的长度，转入步骤三，；若则确定长度的微带对应的等效电路元件值为X₀，0＜ε≤20％；

步骤五：将电路模型中电路元件对应的微带尺寸按照电路模型中电路元件的排列顺序连接起来组合成微带。

根据本发明的一种具体实施方式，步骤一中，所述等效负载的电路元件值的电阻值为

$R=\frac{dV}{dI}$

上式中：I为激光器的偏置电流值，V为该偏置电流对应的电压值，所述微带电路模型结构为电阻、电感并联，电容串联；

所述频率范围为0～f_max，微带中电阻值范围为

$\frac{1-{10}^{S_{max}/20}}{1+{10}^{S_{\max }/20}}\&CenterDot;Z_0-R<R_m<\frac{1+{10}^{S_{max}/20}}{1-{10}^{S_{\max }/20}}\&CenterDot;Z_0-R$

上式中：R_m为微带引入的电阻值；

反射系数通过下列公式得出：

$Z_L\left(f\right)=R_L+\frac{1}{j2{\mathrm{\&pi;fC}}_L}$

Z(f)＝Z_s(f)+Z_L(f)

$S_{11}\left(f\right)=20log\left(abs\right(\frac{Z\left(f\right)-Z_0}{Z\left(f\right)+Z_0}\left)\right)$

上式中Z_s为微带等效电路模型的阻抗；反射系数为S₁₁，单位为dB；ω＝2πf，f为微波信号的频率。

根据本发明的一种具体实施方式，步骤二中负载等于Z₀时，反射系数通过下列公式求得

Z(f)＝Z_s(f)+Z₀

$S_{11}\left(f\right)=20log\left(abs\right(\frac{Z\left(f\right)-z_0}{z\left(f\right)+Z_0}))$

其中Z_s为微带等效电路模型的阻抗，由电阻R、电容C、电感L构成；找出频率点f₀使得：

$S_{11}\left(f_0\right)=max\frac{{\mathrm{dS}}_{11}\left(f\right)}{{\mathrm{dZ}}_S}{|}_{Z_S=X_o}.$

根据本发明的一种具体实施方式，，步骤四中反射系数对应微带等效电路元件的值通过下列公式得出：

$L_m\left(f\right)={10}^9\&CenterDot;img\left(Z_m\right(f\left)\right)\&CenterDot;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}f}$

$C_m\left(f\right)=-{10}^{12}\&CenterDot;1/img\left(Z_m\right(f\left)\right)\&CenterDot;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}f}$

$Z_m\left(f\right)=\frac{1-{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}{1+{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}\&CenterDot;Z_0$ 或

$Z_m\left(f\right)=\frac{1+{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}{1-{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}\&CenterDot;Z_0$

式中，L_m，C_m分别为微带模型中的等效电感和等效电容，S₁₁为反射系数。当求微带的等效电容时，选择Z_m的虚部小于0的那一项；当求微带的等效电感时，选择Z_m的虚部大于0的那一项。

根据本发明的一种具体实施方式，步骤四中的微带模型采用共面波导的形式。

根据本发明的一种具体实施方式，共面波导的介质层为AlN材料，介质层底部镀金属。

根据本发明的一种具体实施方式，实际应用的频率范围是0-50GHz。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种根据上述制备方法所制备的直接调制激光器微带。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了根据上述直接调制激光器微带进一步制备而成的直接调制激光器。

通过上述技术方案可知，本发明设置直接调制激光器微带的方法的有益效果在于：

(1)通过本发明步骤一至三中综合的运用了电磁学和电子线路的知识，解决了现有简单的增加串联电阻带来的问题，提高了所制备微带的适应性；

(2)通过本发明的方法，通过设置较宽的实际应用的频率范围，微带模型能在较大的频率范围(0-50GHz)和微波信号源相匹配；

(3)通过本发明方法步骤四的程序判断步骤，提高了微带的设计效率，节省时间和成本；

(4)通过在微带模型中设置共面波导，方便对微带的长度进行调整；

(5)通过确定微带模型的结构以及宽度，仅改变微带的长度，便于确定反射系数，从而更高效的进行调节和设计目标微带。

附图说明

图1为作为本发明一具体实施方式的直接调制激光器微带的制备方法的流程示意图；

图2为作为本发明一具体实施方式的直接调制激光器微带的电路模型图，其中包括微波信号源等效电路、微带等效电路以及电路元件参数、激光器负载等效电路；

图3为作为本发明一具体实施方式的直接调制激光器微带电路模型的反射系数图；

图4为作为本发明一具体实施方式的直接调制激光器微带不同微带尺寸在0.1～30GHz频率范围内对应的电路元件值图；

图5为作为本发明一具体实施方式的直接调制激光器微带的结构和尺寸图；

图6为作为本发明一具体实施方式的直接调制激光器组合微带的微带等效电路的反射系数仿真效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式一：

结合图1以及实例来说明本实施方式，本实施方式所述的一种直接调制微腔激光器宽带微带的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：确定激光器负载的等效负载的电路元件值，选择微带等效电路模型及元件参数值X₀，使得微波信号源的信号加载到激光器在实际工作的频率范围内的反射系数小于最大反射值S_max：

假定激光器的等效负载电路由电阻和电容并联，电容值为0.1pF，由于激光器在不同的偏置电流下，电阻存在一定的变化，因此假定电阻为30±5Ω。微带的电路模型如图2中的所示。设定微波信号源信号在0.1～30GHz频率范围内加载到激光器的最大反射小于-20dB，在信号的频率较低时，电容和电感的作用可忽略，微带的负载由微带模型中的电阻占主导，由

$\frac{1-{10}^{S_{max}/20}}{1+{10}^{S_{\max }/20}}\&CenterDot;Z_0-R<R_m<\frac{1+{10}^{S_{max}/20}}{1-{10}^{S_{\max }/20}}\&CenterDot;Z_0-R$

得微带的电路模型的电阻值在16～31Ω范围内，在信号频率较高时，微带电路模型中电容和电感微带模型总的阻抗有较大的影响。因此在微带的电路模型采用图2所示的结构，电感和电阻串联，然后与电容并联，再与电感串联。激光器的等效负载中电容为0.1pF，电阻在25～35Ω变化时，调节微带电路模型中电路元件的参数值，使得在0.1～30GHz频率范围内反射系数都小于-20dB，最终确定的微带电路模型如图2所示，电路模型中电路元件的参数值X₀从左至右分别为L₁＝0.08nH，，C＝0.08pF，，L₂＝0.1nH，，R＝25Ω，L₃＝0.1nH。微带电路模型连接激光器等效负载，负载中电阻在16～31Ω范围变化，信号频率在0.1～30GHz范围内加载到激光器中的最大反射系数的值如图3所示，可以看出最大反射系数值小于-20dB。

步骤二：求出微波信号加载到激光器中引起的反射系数S₁₁和微带等效电路模型中电路元件参数X的关系，然后找出在电路元件参数Z_s＝X₀时，反射系数S₁₁最大灵敏度相对的频率点f₀。

反射系数S₁₁和微带等效电路模型参数的关系如下：

$z_L\left(f\right)=R_L+\frac{1}{j2{\mathrm{\&pi;fC}}_L}$

Z₁(f)＝Z_L(f)+R+j2πf(L₁+L₂)

$Z_2\left(f\right)=\frac{1}{j2\mathrm{\&pi;}fC+1/Z_1\left(f\right)}$

Z(f)＝Z₂(f)+j2πfL₃

$S_{11}\left(f\right)=20log\left(\frac{Z\left(f\right)-Z_0}{Z\left(f\right)+Z_0}\right)$

其中R_L，、C_L分别为激光器的等效负载电路中的电阻和电容元件，Z₀为微波信号源的阻抗，阻值为50Ω。L₁、L₂、L₃、C和R代表微带电路模型中的元件参数。

分别确定f₁、f₂、f₃和f₄使得在0.1～30GHz的频率范围内反射系数

$S_{11}\left(f_1\right)=max\left|\frac{{\mathrm{dS}}_{11}\left(f\right)}{{\mathrm{dL}}_1}{|}_{L_1=0.1nH}\right|$

$S_{11}\left(f_2\right)=max\left|\frac{{\mathrm{dS}}_{11}\left(f\right)}{{\mathrm{dL}}_2}{|}_{L_2=0.1nH}\right|$

$S_{11}\left(f_3\right)=max\left|\frac{{\mathrm{dS}}_{11}\left(f\right)}{{\mathrm{dL}}_3}{|}_{L_1=0.08nH}\right|$

$S_{11}\left(f_4\right)=max\left|\frac{{\mathrm{dS}}_{11}\left(f\right)}{dC}{|}_{C=0.08pF}\right|$

求得f₁＝f₂＝30GHz，f₃＝25.8GHz，f₄＝24.2GHz。

步骤三：在确定微带模型的结构以及宽度，改变微带的长度求出微带模型在上述频率范围内的反射系数。

微带模型采用共面波导的形式，介质层为AlN材料，厚度设为0.25mm，介质层底部镀金属，厚度为4um。微带的总体宽度为0.8mm，微带左右部分的宽度都为0.2mm，波导空隙为0.1mm，微波信号源的阻抗为50Ω阻抗对应的中心波导宽度为0.174mm。这里设定中心波导宽度分别为0.2mm和0.26mm，改变波导的长度得到频率在0.1-30GHz范围内的反射系数S₁₁。

步骤四：计算出反射系数对应的等效电路元件参数值，判断等效电路元件参数值X(f₀)和X₀的大小，若减小微带的长度，转入步骤三，重新求出反射系数；若增大微带的长度，转入步骤三，重新求出反射系数；若则确定长度的微带对应的等效电路元件值为X₀。

微带的反射系数转换为等效电路元件由下列公式转换：

$L_m\left(f\right)={10}^9\&CenterDot;img\left(Z_m\right(f\left)\right)\&CenterDot;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}f}$

$C_m\left(f\right)=-{10}^{12}\&CenterDot;1/img\left(Z_m\right(f\left)\right)\&CenterDot;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}f}$

$Z_m\left(f\right)=\frac{1-{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}{1+{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}\&CenterDot;50$ 或

$Z_m\left(f\right)=\frac{1+{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}{1-{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}\&CenterDot;50$

其中S₁₁为步骤三中得出的不同尺寸微带对应的反射系数。L_m、C_m分别为微带的等效电感和等效电容，都取正值。不同微带尺寸在不同的信号频率下对应的电路元件参数值存在微小偏差。结果如图4所示，中心波导尺寸为0.25mm×0.2mm时，微带对应的电路元件为电感，在0.1～30GHz频率范围内，电感值在0.1nH左右，频率为30GHz时，电感值为0.1024nH，此时 $\frac{(0.1024-L_1)}{L_1}=\frac{(0.1024-L_2)}{L_2}=\frac{(0.1024-0.1)}{0.1}=2.4\%<3\%;$ 中心波导尺寸为0.2mm×0.2mm时，微带对应的电路元件为电感，在0.1～30GHz频率范围内，电感值在0.08nH左右，频率为25.8GHz时，电感值为0.081nH，此时 $\frac{(0.081-L_3)}{L_3}=\frac{(0.081-0.08)}{0.08}=1.25\%<3\%;$ 中心波导尺寸为0.33mm×0.26mm时，微带对应的电路元件为电容，在0.1～30GHz频率范围内，电容值在0.08pF左右，频率为24.2GHz时，电感值为0.0803nH，此时 因此可以认为0.1nH、0.08nH和0.08pF对应的尺寸分别为0.25mm×0.2mm、0.2mm×0.2mm、0.33mm×0.26mm。

步骤五：将电路模型中电路元件对应的微带尺寸按照电路模型中电路元件的排列顺序连接起来组合成微带。

将微带等效电路模型中电路元件参数值为0.08nH，0.08pF，0.1nH，25Ω，0.1nH对应的微带尺寸按照电路元件的排列顺序连接起来组合起来，如图5所示。这是设定电阻的尺寸为0.2mm×0.2mm。因此微带等效电路模型中元件0.08nH，0.08pF，0.1nH，25Ω，0.1nH对应的微带的尺寸分别为0.2mm×0.2mm，0.33mm×0.26mm，0.25mm×0.2mm，0.2mm×0.2mm，0.25mm×0.2mm。

由微带等效电路和微带得到的反射系数如图6所示，可以看出在0.1～30GHz频率范围内，微带等效电路和微带得到的反射系数之差小于1dB。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定激光器负载的等效负载的电路元件值，选择微带等效电路模型及元件的参数值X₀，使得微波信号源的信号加载到激光器实际应用的频率范围内的反射系数小于最大反射值S_max，其中S_max＜-5dB；

步骤二：加载微波信号至激光器中，其中微波信号阻抗为Z₀，再根据选择的微带等效电路模型及元件的参数值计算加载后元件引起的反射系数S₁₁，并计算反射系数S₁₁最大灵敏度相对的微波信号频率点f₀；

步骤三：确定微带模型的结构以及宽度，改变微带的长度求出微带模型在上述频率点f₀的反射系数；

步骤四：计算出步骤三的反射系数对应的等效电路元件参数值X(f₀)，，判断X(f₀)和X₀的大小，若减小微带的长度，转入步骤三；若增大微带的长度，转入步骤三；若则确定长度的微带对应的等效电路元件值为X₀，0＜ε≤20％；

步骤五：将电路模型中电路元件对应的微带尺寸按照电路模型中电路元件的排列顺序连接起来组合成微带。

2.根据权利要求1所述的直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述等效负载的电路元件值的电阻值为

$R=\frac{dV}{dI}$

上式中：I为激光器的偏置电流值，V为该偏置电流对应的电压值，所述微带电路模型结构为电阻、电感并联，电容串联；

所述频率范围为0～f_max，微带中电阻值范围为

$\frac{1-{10}^{S_{max}/20}}{1+{10}^{S_{\max }/20}}\&CenterDot;Z_0-R<R_m<\frac{1+{10}^{S_{max}/20}}{1-{10}^{S_{\max }/20}}\&CenterDot;Z_0-R$

上式中：R_m为微带引入的电阻值；

反射系数通过下列公式得出：

$Z_L\left(f\right)=R_L+\frac{1}{j2{\mathrm{\&pi;fC}}_L}$

Z(f)＝Z_s(f)+Z_L(f)

$S_{11}\left(f\right)=20log\left(abs\right(\frac{Z\left(f\right)-Z_0}{Z\left(f\right)+Z_0}\left)\right)$

上式中Z_s为微带等效电路模型的阻抗；反射系数为S₁₁，单位为dB；ω＝2πf，f为微波信号的频率。

3.根据权利要求1所述的直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，步骤二中负载等于Z₀时，反射系数通过下列公式求得

Z(f)＝Z_s(f)+Z₀

$S_{11}\left(f\right)=20log\left(abs\right(\frac{Z\left(f\right)-Z_0}{Z\left(f\right)+Z_0}\left)\right)$

其中Z_s为微带等效电路模型的阻抗，由电阻R、电容C、电感L构成；找出频率点f₀使得：

$S_{11}\left(f_0\right)=max\frac{{\mathrm{dS}}_{11}\left(f\right)}{{\mathrm{dZ}}_S}{|}_{Z_S=X_0}.$

4.根据权利要求1或2所述的直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，步骤四中反射系数对应微带等效电路元件的值通过下列公式得出：

$L_m\left(f\right)={10}^9\&CenterDot;img\left(Z_m\right(f\left)\right)\&CenterDot;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}f}$

$C_m\left(f\right)=-{10}^{12}\&CenterDot;1/\mathrm{img}\left(Z_m\right(f\left)\right)\&CenterDot;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}f}$

$Z_m\left(f\right)=\frac{1-{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}{1+{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}\&CenterDot;Z_0$ 或

$Z_m\left(f\right)=\frac{1+{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}{1-{10}^{S_{11}\left(f\right)/20}}\&CenterDot;Z_0;$

式中，L_m，C_m分别为微带模型中的等效电感和等效电容，S₁₁为反射系数；当求微带的等效电容时，选择Z_m的虚部小于0的那一项；当求微带的等效电感时，选择Z_m的虚部大于0的那一项。

5.根据权利要求1或2所述设置直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，步骤四中的微带模型采用共面波导的形式。

6.根据权利要求5所述直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，所述共面波导的介质层为AlN材料，介质层底部镀金属。

7.根据权利要求1所述直接调制激光器宽带微带的制备方法，其特征在于，所述实际应用的频率范围是0-50GHz。

8.根据权利要求1-7任一项所述制备方法所制备的直接调制激光器微带。

9.根据权利要求8所述直接调制激光器微带进一步制备而成的直接调制激光器。