TWI406464B - Millimeter - wave ultra - wideband photoelectric generator - Google Patents

Description

毫米波超寬頻光電產生器

本發明係有關於一種毫米波超寬頻光電產生裝置，尤指涉及一種可產生一高功率超寬頻雜訊(High-Power Ultra-Broad Band White Noise)，特別係指適用於W-頻段(75～110 GHz)雜訊源及全微波波段皆可適用之測試儀器及測試方法者。

依現下習知技術，如美國專利申請第3600703號之「蕭基二極體雜訊產生器」及美國專利申請第6844786號之「毫米波及次毫米波雜訊產生器」，雖能以採用之雜訊二極體(Noise Diode)加上寬頻低雜訊放大器(Broad-Band Low-Noise Amplifier)產生雜訊，惟其輸出功率不高，且振幅變動太大，無法使其能譜形成強度一致的均勻形狀，因此難以適用於白雜訊源(White Noise Source)之應用範圍，含括超寬頻低雜訊放大器與混波器雜訊指數量測、超寬頻儀器增益值量測、超寬頻加密、超寬頻類比數位轉換器之數位諧音、超寬頻亂數產生器、超寬頻類比光聯之功率飽和、超寬頻接收器之雜訊溫度之Dicke量測、內建超寬頻設備測試、以及超寬頻相關性增益及相位校準等。

有鑑於此，目前一般所能量測到外太空天體幅射出來之信訊號，其量測到之幅射能量範圍皆很小，基於星星會運動，故會產生干涉條紋，因此必需要運用長時間積分量測干涉條紋訊號，因此量測儀器之長時間穩定度為儀器設計之重要考量；然而為因應於此，其儀器結構乃甚為複雜，舉凡需要溫控典型天線、非常高品質穩度之接收放大器及一些混合繁鎖複雜之元件等。另一類的儀器設計選擇為中穩度接收器輔以校準設備。基於星星天體幅射出來之信號頻帶不可能係一個非常窄頻之信號，一定係一超寬頻雜訊(White noise)，惟其又會產生干涉條紋運動，故以習知技術而言，不僅需要大而繁鎖複雜之超寬頻校準設備源，且在其無法控制超寬頻源之相位為的前提下，亦無法有效模擬多天線接收外星球來自天體之訊號光源，故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時去驗證一如電波干涉陣列望遠鏡系統之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可產生一高功率超寬頻雜訊(High-Power Ultra-Broad Band White Noise)，能適用於W-頻段(75～110 GHz)雜訊源及全微波波段皆可適用之測試儀器及測試方法者。

本發明之次要目的係在於，提供一種適用但不限於：瞬時全頻段儀器失效或失真檢測、瞬時全頻段放大器及混波器之雜訊測量、寬頻密碼傳訊、亂數產生器、消除類比數位轉換器之數位諧音(ADC Dithering)、寬頻光通訊元件之飽和功率測試、毫米波接收機之系統雜訊測量、以及毫米波干涉儀之增益及相位量測等之測試儀器及測試方法者。

為達以上之目的，本發明係一種毫米波超寬頻光電產生裝置，係至少包括一寬頻光源產生器、一光纖傳輸構件、及一毫米波頻段之光檢測器所構成。其特徵為該寬頻光源產生器係用以產生並輸出一寬頻光信號；該光纖傳輸構件係配置在該寬頻光源產生器與毫米波頻段之光檢測器之間之光路徑(Optical Path)上，包含一單模光纖(Single Mode Fiber, SMF)及一設置於該單模光纖一側，並且連接至該單模光纖一探針端之透鏡光纖(Lensed Fiber)，該單模光纖另一側則係光學耦合有一光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)及一衰減器，用以經該光纖放大器與該衰減器將該寬頻光信號放大衰減後，由該單模光纖擴展光束並輸出準直光束至該透鏡光纖以聚焦光束，俾使該寬頻光信號由該單模光纖運行至該透鏡光纖而注入該毫米波頻段之光檢測器；以及該毫米波頻段之光檢測器係配置在該光纖傳輸構件之光路徑，該毫米波頻段之光檢測器係部分設置於一波導(Wave Guide)內，並經由該波導結合一號角天線(Horn Antenna)，其包含有一電信號輸入端(IF Input or DC Bias)、一與該電信號輸入端連接之射頻扼流器(RF Choke)、一與該射頻扼流器連接之光檢測開關、一與該光檢測開關連接之扇形寬頻轉換器(Fan-Shaped Broadband Transition)、及一與該光檢測開關連接之發射器，將該寬頻光信號形成一射頻頻率之毫米波超寬頻信號後，送至該波導再從該號角天線射出。

請參閱『第1圖～第3圖』所示，係分別為本發明於一較佳實施例之整體架構示意圖、本發明之毫米波頻段之光檢測器結構示意圖、及本發明之毫米波頻段之光檢測器之立體組裝示意圖。如圖所示：本發明係一種毫米波超寬頻光電產生裝置，係至少包括一寬頻光源產生器1、一光纖傳輸構件2及一毫米波頻段之光檢測器3所構成，具結構簡單並且可產生一高功率超寬頻雜訊(High-Power Ultra-Broad Band White Noise)。

該光纖傳輸構件2係配置在該寬頻光源產生器1與毫米波頻段之光檢測器3之間之光路徑(Optical Path)上，包含一單模光纖(Single Mode Fiber,SMF)21及一設置於該單模光纖21一側，並且連接至該單模光纖21一探針端之透鏡光纖(Lensed Fiber)22，該單模光纖21另一側則係光學耦合有一光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)23及一衰減器24。

該毫米波頻段之光檢測器3係配置在該光纖傳輸構件2之光路徑上，該毫米波頻段之光檢測器3如第2、3圖所示，係部分設置於一波導(Wave Guide)36內，並經由該波導36結合一號角天線(Horn Antenna)37，其包含有一電信號輸入端(IF Input or DC Bias)31、一與該電信號輸入端31連接之射頻扼流器(RF Choke)32、一與該射頻扼流器42連接之光檢測開關33、一與該光檢測開關33連接之扇形寬頻轉換器(Fan-Shaped Broadband Transition)34、及一與該光檢測開關33連接之發射器35，其中，該光檢測開關33係為可運用於側照式或垂直照射之近彈道單載子傳輸光偵測器(NBUTC-PD)，其磊晶層結構(From Top to Bottom)及其材料則可參閱與本案同申請人於2005年4月8日提出申請之中華民國申請案第094111145號，故在此不多作贅述；該發射器35係為八木天線(Quasi-Yagi Antenna)。如是，藉由上述之結構構成一全新之毫米波超寬頻光電產生裝置。

如第1圖所示，圖中虛線路徑為光路徑，實線路徑為電路徑。當運用時，在光路徑中，該寬頻光源產生器1係用以產生並輸出一寬頻光信號，於本實施例中，該寬頻光源產生器1係包括一摻鉺光纖放大器(EDFA(ASE))11及一光濾波器(Optical Filter)12，且該光濾波器12係配置在該摻鉺光纖放大器11及該光纖放大器23之間，係以該摻鉺光纖放大器11經由自然激發產生一寬頻光信號並放大其能量後輸出，由該光濾波器12接收且過濾該寬頻光信號以檢出一特定波長之寬頻光信號。經該光纖放大器23與該衰減器24將此寬頻光信號放大衰減後，由該單模光纖21擴展光束並輸出準直光束至該透鏡光纖22以聚焦光束，俾使該寬頻光信號有效地由該單模光纖21運行至該透鏡光纖22而將該寬頻光信號由該光檢測開關33中之光點330注入該毫米波頻段之光檢測器3。

該毫米波頻段之光檢測器3將來自該寬頻光源產生器1之寬頻光信號於該光檢測開關33中形成電信號，經該射頻扼流器32產生之低射頻阻抗，並根據該扇形寬頻轉換器34產生之寬頻帶信號，進而使該寬頻光信號產生射頻頻率之毫米波信號輸出，並由該發射器35將其發送至該波導36從而由該號角天線37射出。

請參閱『第4圖』所示，係本發明之毫米波頻段之光檢測器之頻率響應示意圖。如圖所示：本發明採用之毫米波頻段之光檢測器其表現之頻率響應曲線5與一模擬曲線5a相比甚為接近，顯示本發明使用之毫米波頻段之光檢測器所組成之光電發射器，係具備有良好之頻率響應。

請參閱『第5圖～第7圖』所示，係分別為本發明之光學頻譜示意圖、本發明之隨光電流變化所量得之輸出功率示意圖、及本發明之電頻譜示意圖。如圖所示：本發明係在上述第1圖光路徑中以一光頻譜分析儀觀察本發明採以平頂濾波器(Flat-top Filter)或高斯濾波器(Gaussian Filter)作為光濾波器時所獲得之光學頻譜。如第5圖所示，圖中三條曲線分別為本發明未通過光濾波器之光譜曲線6、通過高斯濾波器之光譜曲線6a、以及通過平頂濾波器之光譜曲線6b。由結果顯示可知，通過平頂濾波器呈現之雷射光譜模態，其模態與模態之間每個模態都一樣強，使得其互擊(Beating)效果較為明顯，進而能使最後獲得之毫米波超寬頻反應較強、較大，故選用平頂濾波器顯然較高斯濾波器更為良好。

本發明亦在電路徑中以一電頻譜分析儀觀察本發明採以平頂濾波器或高斯濾波器作為光濾波器時所獲得之電頻譜。如第6圖所示，在元件操作於通過高斯濾波器或通過平頂濾波器下與光電流及功率表現上，檢測在超寬頻功率與光電流在不同之光學激發脈衝能量下，以11毫安培(mA)光電流下所量得之功率曲線7a、7b進行比較，及第7圖所示，以同樣通過高斯濾波器或通過平頂濾波器相比而言，以元件在光電流為36 mA下所量得之輸出功率頻譜8a、8b，皆可明顯看出，本發明以通過平頂濾波器呈現之射頻功率明顯較通過高斯濾波器者好，其射頻功率大了約6.2 dBm，證明本發明係可實現一可產生一個毫米波超寬頻能量之毫米波超寬頻光電產生裝置。

由此可知，本發明係具有結構簡單，不需繁鎖複雜之元件即可取得一高功率超寬頻雜訊(High-Power Ultra-Broad Band White Noise)，相比於現下技術所能產生之雜訊更具有一萬倍以上之功率表現，並且其能譜更為均勻。雖然本發明之具體內容限於W-頻段(75～110 GHz)雜訊源，惟本發明之工作原理係可適用於全微波波段，從厘米波段(Centimeter Wave Band)至次毫米波段(Sub-Millimeter Wave Band)皆可。

請參閱『第8圖』所示，係本發明於另一較佳實施例之整體架構示意圖。如圖所示：係本發明另一較佳實施例，圖中虛線路徑為光路徑，實線路徑為電路徑。當運用時，在光路徑中，該寬頻光源產生器1係用以產生並輸出一寬頻光信號，於本實施例中，該寬頻光源產生器1係包括一掃頻雷射(Frequency Sweeping Laser)13、一單頻半導體雷射(DFB Laser)14、一光極化控制器(Polarization Controller,PC)15及一光耦合器(Coupler)16，且該光極化控制器15係配置在該掃頻雷射13及該光耦合器16之間之光學路徑上，而該光耦合器16係配置在該單頻半導體雷射14或該光極化控制器15及該光纖放大器23之間之光學路徑上，用以循序調整該光極化控制器15以對該掃頻雷射13之一光信號執行循序偏振控制後輸出至該光耦合器16，該單頻半導體雷射14亦輸出一1550奈米波長之光信號至該光耦合器16，由功率為3-dB之光耦合器16耦合該已調整之光信號與該具1550奈米波長之光信號以檢定一1550奈米波長之寬頻光信號。經該光纖放大器23與該衰減器24將此寬頻光信號放大衰減後，由該單模光纖21擴展光束並輸出準直光束至該透鏡光纖22以聚焦光束，俾使該寬頻光信號有效地由該單模光纖21運行至該透鏡光纖22而將該寬頻光信號由該光檢測開關33中之光點330注入該毫米波頻段之光檢測器3。

該毫米波頻段之光檢測器3將來自該寬頻光源產生器1之寬頻光信號於該光檢測開關33中形成電信號，經該射頻扼流器32產生之低射頻阻抗，並根據該扇形寬頻轉換器34產生之寬頻帶信號，進而使該寬頻光信號產生射頻頻率之毫米波信號輸出，並由該發射器35將其發送至該波導36從而由該號角天線37射出。

請參閱『第9圖～第11圖』所示，係分別為本發明之隨光電流變化所量得之輸出功率示意圖、本發明以慢速掃頻所得之電頻譜示意圖、及本發明以快速掃頻所得之電頻譜示意圖。如圖所示：本發明亦在上述第8圖光路徑中以一光頻譜分析儀觀察本發明所獲得之光學頻譜，以及在電路徑中以一電頻譜分析儀觀察本發明所獲得之電頻譜。其中以電頻譜分析儀觀察結果而言，如第9圖所示，以7 KHz及0.5 KHz掃頻所獲得之功率曲線9、9a可知，在0.5 KHz下之掃頻係可獲得較大之功率，亦如第10圖所示，在光電流為36 mA下以0.5 KHz之慢速掃頻所獲得之功率頻譜91a，相比於第11圖所示，在光電流為2 mA下以每毫秒35 GHz之快速掃頻所獲得之功率頻譜91b，可知快速掃頻所獲得之功率較小，而慢速掃頻將可獲得較大之功率。

當使用時，本裝置係可置於一待測物前方，對該待測物做最後分析，完成做一個需要模擬外星球光源所需要之一光源產生器。

藉此，本發明係使用一寬頻光源產生器產生寬頻光信號後，經一光纖傳輸構件、及一NBUTC結構之光檢測器，在適當光源照射下可產生一高功率全頻段白雜訊(W-Band White Noise)，適用但不限於：瞬時全頻段儀器失效或失真檢測、瞬時全頻段放大器及混波器之雜訊測量、寬頻密碼傳訊、亂數產生器、消除類比數位轉換器之數位諧音(ADC Dithering)、寬頻光通訊元件之飽和功率測試、毫米波接收機之系統雜訊測量、以及毫米波干涉儀之增益及相位量測等之測試儀器及測試方法。

綜上所述，本發明係一種毫米波超寬頻光電產生裝置，可有效改善習用之種種缺點，具結構簡單並且可產生一高功率超寬頻雜訊，能適用於W-頻段雜訊源及全微波波段皆可適用之測試儀器及測試方法者，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．寬頻光源產生器

11．．．摻鉺光纖放大器

12．．．光濾波器

13．．．掃頻雷射

14．．．單頻半導體雷射

15．．．光極化控制器

16．．．光耦合器

2．．．光纖傳輸構件

21．．．單模光纖

22．．．透鏡光纖

23．．．光纖放大器

24．．．衰減器

3．．．毫米波頻段之光檢測器

31．．．電信號輸入端

32．．．射頻扼流器

33．．．光檢測開關

330．．．光點

34．．．扇形寬頻轉換器

35．．．發射器

36．．．波導

37．．．號角天線

5．．．頻率響應曲線

5a．．．模擬曲線

6、6a、6b．．．光譜曲線

7a、7b．．．功率曲線

8a、8b．．．功率頻譜

9、9a．．．功率曲線

91a、91b．．．功率頻譜

第1圖，係本發明於一較佳實施例之整體架構示意圖。

第2圖，係本發明之毫米波頻段之光檢測器結構示意圖。

第3圖，係本發明之毫米波頻段之光檢測器之立體組裝示意圖。

第4圖，係本發明之毫米波開關元件之頻率響應示意圖。

第5圖，係本發明之光學頻譜示意圖。

第6圖，係本發明之隨光電流變化所量得之輸出功率示意圖。

第7圖，係本發明之電頻譜示意圖。

第8圖，係本發明於另一較佳實施例之整體架構示意圖。

第9圖，係本發明之隨光電流變化所量得之輸出功率示意圖。

第10圖，係本發明以慢速掃頻所得之電頻譜示意圖。

第11圖，係本發明以快速掃頻所得之電頻譜示意圖。

1．．．寬頻光源產生器

11．．．摻鉺光纖放大器

12．．．光濾波器

2．．．光纖傳輸構件

21．．．單模光纖

22．．．透鏡光纖

23．．．光纖放大器

24．．．衰減器

3．．．毫米波頻段之光檢測器

37．．．號角天線

Claims (7)

1. 一種毫米波超寬頻光電產生裝置，係至少包括一寬頻光源產生器、一光纖傳輸構件、及一毫米波頻段之光檢測器，可產生一高功率超寬頻雜訊(High-Power Ultra-Broad Band White Noise)，適用於針對一待測物，做一個需要模擬外星球天體光源所需要之一光源產生器，其特徵為：該寬頻光源產生器，係用以產生並輸出一寬頻光信號；該光纖傳輸構件，係配置在該寬頻光源產生器與該毫米波頻段之光檢測器之間之光路徑(Optical Path)上，包含一單模光纖(Single Mode Fiber,SMF)及一設置於該單模光纖一側，並且連接至該單模光纖一探針端之透鏡光纖(Lensed Fiber)，該單模光纖另一側則係光學耦合有一光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)及一衰減器，用以經該光纖放大器與該衰減器將該寬頻光信號放大衰減後，由該單模光纖擴展光束並輸出準直光束至該透鏡光纖以聚焦光束，俾使該寬頻光信號由該單模光纖運行至該透鏡光纖而注入該毫米波頻段之光檢測器；以及該毫米波頻段之光檢測器，係部分設置於一波導(Wave Guide)內，並經由該波導結合一號角天線(Horn Antenna)，其包含有一電信號輸入端(IF Input or DC Bias)、一與該電信號輸入端連接之射頻扼流器(RF Choke)、一與該射頻扼流器連接之光檢測開關、一與該光檢測開關連接之扇形寬頻轉換器(Fan-Shaped Broadband Transition)、及一與該光檢測開關連接之發射器，將該寬頻光信號形成一射頻頻率之毫米波超寬頻信號後，送至該波導再從該號角天線射出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波超寬頻光電產生裝置，其中，該寬頻光源產生器係包括一摻鉺光纖放大器(EDFA(ASE))及一光濾波器(Optical Filter)，且該光濾波器係配置在該摻鉺光纖放大器及該光纖放大器之間之光學路徑上，係以該摻鉺纖放大器經由自然激發產生一寬頻光信號並放大其能量後輸出，由該光濾波器接收且過濾該寬頻光信號以檢出一特定波長之寬頻光信號。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之毫米波超寬頻光電產生裝置，其中，該光濾波器係可為平頂濾波器(Flat-top Filter)或高斯濾波器(Gaussian Filter)。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波超寬頻光電產生裝置，其中，該寬頻光源產生器係包括一掃頻雷射(Frequency Sweeping Laser)、一單頻半導體雷射(DFB Laser)、一光極化控制器(Polarization Controller,PC)及一光耦合器(Coupler)，且該光極化控制器係配置在該掃頻雷射及該光耦合器之間之光學路徑上，而該光耦合器係配置在該單頻半導體雷射或該光極化控制器及該光纖放大器之間之光學路徑上，用以循序調整該光極化控制器以對該掃頻雷射之一光信號執行循序偏振控制後輸出至該光耦合器，該單頻半導體雷射亦輸出一特定波長之光信號至該光耦合器，由該光耦合器耦合該已調整之光信號與該具特定波長之光信號以檢定一特定波長之寬頻光信號。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波超寬頻光電產生裝置，其中，該發射器係為八木天線(Quasi-Yagi Antenna)。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波超寬頻光電產生裝置，其中，該光纖傳輸構件係將該寬頻光信號由該毫米波頻段之光檢測器之光檢測開關中之光點注入。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波超寬頻光電產生裝置，其中，該光檢測開關係為可運用於側照式或垂直照射之近彈道單載子傳輸光偵測器(NBUTC-PD)。