CN109361469A - 基于量子点激光器的毫米波生成系统及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器的毫米波生成系统及生成方法，生成系统包括：用于输出射频信号的射频信号发生器，射频功率放大器，180度移相混合功分器，用于产生梳状光谱信号的InP单片集成量子点激光器，双臂马赫增德尔调制器，输入端与InP单片集成量子点激光器连接用于接收梳状光谱信号，上电极和下电极分别与180度移相混合功分器的第一输出端和第二输出端连接用于接收两路射频信号，输出端用于输出调制生成的梳状光谱信号；经过单行载流子光电探测器光电转换后输出毫米波信号。

Description

基于量子点激光器的毫米波生成系统及生成方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波生成方法，尤其是涉及一种基于量子点激光器的毫米波生成系统及生成方法。

背景技术

随着第五代移动通信(简称5G)时代的到来，无线接入网需要支持的数据传输率将比4G增长数十倍，数据下载的峰值速度可高达20Gbps，宽带化、无线化、个性化及融合化已成为全球通信网络发展的大方向。光纤通信虽然容量巨大却缺乏灵活性和移动性，而基于低频段微波的无线接入技术尽管可以为用户提供灵活的移动服务，但由于频谱资源紧张，无法提供足够的带宽满足用户日益增长的海量数据传输需要。因此，集光纤通信的超大容量和无线通信的灵活性于一身的光载毫米波技术成为最具潜力的下一代超宽带无线接入技术。因具有带宽大、尺寸小、易集成、成本低、抗干扰及安全性高等优势，光载毫米波系统可解决传统微波传输系统在毫米波段存在的损耗大、抗干扰能力弱等问题，可广泛应用于军事雷达、超宽带无线通信、安全监测、医学检测等领域。光载毫米波系统一般由中心站、基站、光纤链路和用户组成，中心站主要负责毫米波信号的生成和处理，通过光纤链路实现中心站与基站之间远距离的数据连接，毫米波系统则负责最后几十米范围的无线覆盖，由此构成具有超宽带的无线接入网络。其中，毫米波的质量将直接影响整个光载毫米波通信系统的最终性能，因此，高质量的毫米波生成技术对高性能的光载毫米波系统研制至关重要。

传统电域的毫米波产生方法主要是利用倍频器将低频率的射频信号经过多次倍频后得到高频率的毫米波信号，需要辅助锁相环、滤波器等电域器件，系统成本昂贵，不利于大规模实施，且生成的毫米波信号具有相位噪声大、频率受限和稳定性差等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、低相噪、高频频率和高稳定性的基于量子点激光器的毫米波生成系统及生成方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于量子点激光器的毫米波生成系统，包括：

射频信号发生器，用于输出射频信号；

射频功率放大器，输入端与所述射频信号发生器的输出端相连，用于接收所述的射频信号发生器输出的射频信号进行放大后输出功率放大后的射频信号；

180度移相混合功分器，输入端与所述射频功率放大器的输出端相连，用于接收所述的射频功率放大器的输出信号，并将其分为两路射频信号分别从第一输出端和第二输出端输出；

InP单片集成量子点激光器，用于产生梳状光谱信号；

双臂马赫增德尔调制器，输入端与所述的InP单片集成量子点激光器连接用于接收梳状光谱信号，上电极和下电极分别与所述的180度移相混合功分器的第一输出端和第二输出端连接用于接收两路射频信号，输出端用于输出调制生成的梳状光谱信号；

单行载流子光电探测器，输入端与所述的双臂马赫增德尔调制器输出端相连，经过光电转换在输出端输出毫米波信号。

所述的调制射频信号功率为3dBm；

所述的所述的射频功率放大器的放大增益25dB，频率可调谐，输出射频信号线宽10kHz。

所述的InP量子点激光器采用法布里-佩罗腔的单横模脊波导结构，腔长为456μm，脊宽3μm，输出频率间隔70GHz，输出光功率为10dBm。

所述的所述双臂马赫增德尔调制器的调制带宽为40GHz，调制电压最大10V。

所述的单行载流子光电探测器的响应频率110GHz，驱动电压为直流1.5v。

一种基于量子点激光器的毫米波生成方法，包括以下步骤：

①采用InP单片集成量子点激光器输出功率为10dBm且频率间隔为70GHz的等间距梳状光谱信号，直接输入双臂马赫增德尔调制器的输入端；

②将射频信号RF输入射频功率放大器进行功率放大到25dBm，将功率放大后的射频信号输入带180度相移的功分器，功分器将射频信号分为RF1和RF2两路同频率且反相的射频信号，其中，RF1射频信号输入双臂马赫增德尔调制器的上电极，RF2射频信号输入双臂马赫增德尔调制器的下电极；

③通过改变射频信号发生器的输出射频信号频率，改变生成的谐波分量频率间隔，频率间隔应该等分70GHz；

④调节双臂马赫增德尔调制器的偏置电压，从而对输入的梳状光谱分别进行载波抑制双边带调制，产生新的谐波分量，获得最小频率间隔为RF信号频率的梳状光谱信号；

⑤将双臂马赫增德尔调制器输出的梳状光谱直接输入单行载流子光电探测器，通过光电转换输出高频毫米波信号，且生成毫米波信号的频率可调，频率为梳状光谱信号的最小频率间隔或者其倍数。

所述的步骤④双臂马赫增德尔调制器的调制带宽大于25GHz，1550nm波长的插入损耗为6dB。

与现有技术相比，本发明的优点在于利用InP量子点激光器输出一系列大宽带、小线宽和高信噪比的梳状光谱，这些梳状光谱再输入到双臂马赫增德尔调制器的输入端，射频信号发生器输出3dBm射频信号经过射频功率放大器放大功率到25dBm后输入带180度相移的功分器，功分器的输出端分为RF1和RF2两路射频信号，RF1射频信号输出到双臂马赫增德尔调制器的上电极，RF2射频信号输出到双臂马赫增德尔调制器的下电极，经过双臂马赫增德尔调制器的副载波调制生成的梳状光谱输出至单行载流子光电探测器输入端，经过光电转换获得频率可调的高频毫米波信号了，系统结构简单，采用的光电器件非常少，大大减少系统噪声，克服光纤无线电系统中的对光电器件调制带宽和滤波性能等较高要求，提升毫米波生成稳定性，减少系统成本。

InP单片集成量子点激光器的输出频率间隔为70GHz的系列等间距光谱，这些梳状光谱经过双臂马赫增德尔调制器进行副载波调制生成包含新谐波分量的梳状光谱，梳状光谱之间最小频率间隔与双臂马赫增德尔调制器的射频驱动信号频率相同，当改变双臂马赫增德尔调制器的射频驱动信号的频率时，可以获得不同频率间隔的新梳状光谱，新生成的梳状光谱经过单行载流子光电探测器能获得多个不同频率的毫米波，因此，可以通过改变射频信号发生器的生成射频信号频率来获得频率可调的毫米波信号，系统因没有使用光偏振调制器和光滤波器等器件而极大减少系统复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明系统生成光谱和频谱的示意图，f为Inp量子点激光器输出梳状光谱的频率间隔，f₀为射频驱动信号的频率；

图3为本发明梳状光谱的全局光谱分布图；

图4为本发明输出光谱放大图；

图5为本发明双臂马赫增德尔调制器对梳状光谱进行双边载波抑制调制后输出的梳状光谱图；

图6为本发明实施例光电探测器6的输入端的光谱分布图；

图7为本发明光电探测器6的输出端输出的毫米波信号的频谱图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图所示，一种基于量子点激光器的毫米波生成系统，包括：

射频信号发生器1，用于输出信号功率为3dBm射频信号；

射频功率放大器2，输入端21与射频信号发生器1的输出端12相连，用于接收射频信号发生器1输出的射频信号进行放大后输出功率放大后的射频信号，射频功率放大器2的放大增益25dB，频率可调谐，输出射频信号线宽10kHz；

180度移相混合功分器3，输入端21与射频功率放大器2的输出端22相连，用于接收所射频功率放大器2的输出信号，并将其分为两路射频信号RF1、RF2分别从第一输出端321和第二输出端322输出；

InP单片集成量子点激光器4，采用法布里-佩罗腔的单横模脊波导结构，腔长为456μm，脊宽3μm，输出频率间隔70GHz，输出光功率为10dBm，用于产生梳状光谱信号；

双臂马赫增德尔调制器5，调制带宽为40GHz，调制电压最大10V，输入端51与InP单片集成量子点激光器4连接用于接收梳状光谱信号，上电极501和下电极502分别与180度移相混合功分器3的第一输出端321和第二输出端322连接用于接收两路射频信号RF1、RF2，输出端52用于输出调制生成的梳状光谱信号；

单行载流子光电探测器6，响应频率110GHz，驱动电压为直流1.5v，输入端61与双臂马赫增德尔调制器5输出端52相连，经过光电转换在输出端62输出毫米波信号。

生成步骤如下：

①采用InP单片集成量子点激光器4输出功率为10dBm且频率间隔为70GHz的等间距梳状光谱信号，直接输入双臂马赫增德尔调制器5的输入端；

②将射频信号RF输入射频功率放大器2进行功率放大到25dBm，将功率放大后的射频信号输入带180度相移的功分器3，功分器3将射频信号分为RF1和RF2两路同频率且反相的射频信号，其中，RF1射频信号输入双臂马赫增德尔调制器5的上电极501，RF2射频信号输入双臂马赫增德尔调制器5的下电极502；

③通过改变射频信号发生器1的输出射频信号频率，改变生成的谐波分量频率间隔，频率间隔应该等分70GHz；

④调节双臂马赫增德尔调制器5的偏置电压，从而对输入的梳状光谱分别进行载波抑制双边带调制，产生新的谐波分量，获得最小频率间隔为RF信号频率的梳状光谱信号；双臂马赫增德尔调制器5的调制带宽大于25GHz，1550nm波长的插入损耗为6dB。

⑤将双臂马赫增德尔调制器5输出的梳状光谱直接输入单行载流子光电探测器6，通过光电转换输出高频毫米波信号，且生成毫米波信号的频率可调，频率为梳状光谱信号的最小频率间隔或者其倍数。

Claims (8)

1.一种基于量子点激光器的毫米波生成系统，其特征在于包括：

射频信号发生器，用于输出射频信号；

射频功率放大器，输入端与所述射频信号发生器的输出端相连，用于接收所述的射频信号发生器输出的射频信号进行放大后输出功率放大后的射频信号；

180度移相混合功分器，输入端与所述射频功率放大器的输出端相连，用于接收所述的射频功率放大器的输出信号，并将其分为两路射频信号分别从第一输出端和第二输出端输出；

InP单片集成量子点激光器，用于产生梳状光谱信号；

双臂马赫增德尔调制器，输入端与所述的InP单片集成量子点激光器连接用于接收梳状光谱信号，上电极和下电极分别与所述的180度移相混合功分器的第一输出端和第二输出端连接用于接收两路射频信号，输出端用于输出调制生成的梳状光谱信号；

单行载流子光电探测器，输入端与所述的双臂马赫增德尔调制器输出端相连，经过光电转换在输出端输出毫米波信号。

2.如权利要求1所述的基于量子点激光器的毫米波生成系统，其特征在于所述的调制射频信号功率为3dBm。

3.如权利要求1所述的基于量子点激光器的毫米波生成系统，其特征在于所述的所述的射频功率放大器的放大增益25dB，频率可调谐，输出射频信号线宽10kHz。

4.如权利要求1所述的基于量子点激光器的毫米波生成系统，其特征在于所述的InP量子点激光器采用法布里-佩罗腔的单横模脊波导结构，腔长为456μm，脊宽3μm，输出频率间隔70GHz，输出光功率为10dBm。

5.如权利要求1所述的基于量子点激光器的毫米波生成系统，其特征在于所述的所述双臂马赫增德尔调制器的调制带宽为40GHz，调制电压最大10V。

6.如权利要求1所述的基于量子点激光器的毫米波生成系统，其特征在于所述的单行载流子光电探测器的响应频率110GHz，驱动电压为直流1.5v。

7.一种基于量子点激光器的毫米波生成方法，包括以下步骤：

①采用InP单片集成量子点激光器输出功率为10dBm且频率间隔为70GHz的等间距梳状光谱信号，直接输入双臂马赫增德尔调制器的输入端；

②将射频信号RF输入射频功率放大器进行功率放大到25dBm，将功率放大后的射频信号输入带180度相移的功分器，功分器将射频信号分为RF1和RF2两路同频率且反相的射频信号，其中，RF1射频信号输入双臂马赫增德尔调制器的上电极，RF2射频信号输入双臂马赫增德尔调制器的下电极；

③通过改变射频信号发生器的输出射频信号频率，改变生成的谐波分量频率间隔，频率间隔应该等分70GHz；

④调节双臂马赫增德尔调制器的偏置电压，从而对输入的梳状光谱分别进行载波抑制双边带调制，产生新的谐波分量，获得最小频率间隔为RF信号频率的梳状光谱信号；

⑤将双臂马赫增德尔调制器输出的梳状光谱直接输入单行载流子光电探测器，通过光电转换输出高频毫米波信号，且生成毫米波信号的频率可调，频率为梳状光谱信号的最小频率间隔或者其倍数。

8.如权利要求7所述的基于量子点激光器的毫米波生成方法，其特征在于所述的步骤④双臂马赫增德尔调制器的调制带宽大于25GHz，1550nm波长的插入损耗为6dB。