CN110299589B - 一种分频与倍频产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种分频与倍频产生方法和装置，解决了分频与倍频装置结构复杂、成本高、精度和集成度低的问题。前端激光器、相位区、后端激光器依次集成在同一衬底上；前端激光器、后端激光器相互注入；两个激光器的工作波长不同；所述相位区通过电极调谐两个激光器之间的耦合强度和耦合相位，改变两个激光器的光注入比；两个激光器的驱动信号为调制信号，通过调节调制信号的频率，实现微波的分频或倍频；所述后端激光器的输出光经过所述单模光纤引出，经过所述光电探测器转换为调制信号，通过所述射频电缆输出。本发明实现简单，产生的调制信号纯度高、精确性强、结构紧凑、性能稳定、成本低。

Description

一种分频与倍频产生方法和装置

技术领域

本申请涉及光电子领域，尤其涉及一种分频与倍频产生方法和装置。

背景技术

光微波收发系统是微波通信、电子对抗、雷达、遥控、遥感以及许多测量系统中至关重要的部件。作为收发系统的核心，倍频与分频产生方法和装置对系统性能起着关键性的作用。由于“电子瓶颈”限制，传统电域方法实现微波倍频与分频通常存在系统结构复杂、成本高、稳定性差等缺点；此外，产生的调制信号频率(低于数GHz)较低、相位噪声较差，尤其是，频率每放大一倍相位噪声劣化约6dB；利用光学方法实现调制信号的分频与倍频也是一种常用的方法，其中尤以基于分立器件的光注入锁定半导体激光器系统为主，不过，偏振控制繁琐、结构复杂、体积大、功耗高、耦合损耗大。如果用一般的单片集成激光器来实现，两个激光器集成在同一芯片上，共用同一波导、同一温度控制器，则无法通过温度控制实现两激光器波长失谐。

发明内容

本申请实施例提供一种分频与倍频产生方法和装置，解决了分频与倍频装置结构复杂、成本高、精度和集成度低的问题。

一方面，本申请实施例提出一种分频与倍频产生装置，包括前端激光器、相位区、后端激光器、单模光纤、光电探测器、射频电缆。

所述前端激光器、相位区、后端激光器依次集成在同一衬底上。所述前端激光器、后端激光器通过相位区连接，实现相互注入；所述前端激光器和所述后端激光器的工作波长不同；所述相位区为有源波导构成，相位区长度为200-300μm，通过电极调谐所述前端激光器、后端激光器之间的耦合强度和耦合相位，改变所述前端激光器与所述后端激光器的光注入比；所述前端激光器或后端激光器的驱动信号为调制信号，通过调节调制信号的频率，实现微波的分频或倍频；所述后端激光器的输出光经过所述单模光纤引出，经过所述光电探测器转换为微波信号，通过所述射频电缆输出。

优选地，所述前端激光器和所述后端激光器是用重构-等效啁啾技术制成的DFB激光器。

优选地，所述前端激光器、相位区、后端激光器具有相同的外延材料及结构；所述材料外延结构通过传统二阶金属有机化合物化学气相沉淀法对材料外延生长得到，所述材料外延结构包括n型衬底、n型缓冲层、n型限制层、应变多量子阱层、p型限制层、光栅材料层、p型熔覆层、p型欧姆接触层、p型波导层、绝缘层和正负电极。

优选地，所述前端激光器和所述相位区之间为第一电隔离区，所述相位区和所述后端激光器之间为第二电隔离区。

优选地，所述第一电隔离区、第二电隔离区、前端激光器、相位区、后端激光器共用同一脊波导结构；

优选地，所述第一电隔离区和所述第二电隔离区是利用电子束刻蚀技术刻蚀掉光栅结构和欧姆接触层制成。

优选地，所述第一电隔离区和所述第二电隔离区的长度均在30～80μm范围内。

优选地，所述前端激光器、相位区、后端激光器所采用的外延材料是III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料、掺铝半导体材料中至少一种。

优选地，所述前端激光器和所述后端激光器的波长间隔<0.5nm。

另一方面，本申请还提出一种分频与倍频产生方法，用于本申请任意一项实施例所所述装置，包含以下步骤：

调节所述前端激光器和/或所述后端激光器的直流偏置电流，改变所述前端激光器和所述后端激光器之间的频率间隔以及光注入比，使所述装置工作在双周期振荡状态；

在双周期振荡状态下，使所述前端激光器和所述后端激光器共同作用产生的振荡光信号相互锁定；

改变所述调制信号的频率，调制信号直接调制所述前端激光器或所述后端激光器，当频率源注入的调制信号频率逐渐靠近双周期振荡频率时，实现微波的倍频；逐渐靠近失谐频率时，实现微波的分频。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：分频与倍频产生装置实现方法简单，产生的微波信号谱纯度高、精确性强、结构紧凑、性能稳定、成本低，其中单片集成互注入激光器是低成本实现的。克服了传统分立器件多、注入系统体积大、结构复杂、稳定性差等缺点；提高了两个激光器失谐频率的控制精度、提高单片集成激光器的可生产性与成品率、降低了制造难度和制造成本。以较低成本、低质量的注入射频信号调制所述前端激光器和所述后端激光器实现高质量的分频与倍频信号产生。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为基于单片集成互注入激光器的分频与倍频产生装置结构示意图；

图2为单片集成激光器结构示意图；

图3为双周期振荡状态下的输出光谱示意图；

图4为本发明分频与倍频产生方法的实际效果图；

图5为本发明分频与倍频产生方法的控制流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为基于单片集成互注入激光器的分频与倍频产生装置结构示意图。

本申请实施例提出一种分频与倍频产生装置，包括前端激光器1、相位区2、后端激光器3、单模光纤4、光电探测器5、射频电缆6。

所述前端激光器、相位区、后端激光器依次集成在同一衬底上。所述前端激光器、后端激光器通过相位区连接，实现相互注入；所述前端激光器和所述后端激光器的工作波长不同；所述相位区为有源波导构成，相位区长度为200-300μm，通过电极调谐所述前端激光器、后端激光器之间的耦合强度和耦合相位，改变所述前端激光器与所述后端激光器的光注入比。所述前端激光器或后端激光器的驱动信号为调制信号，通过调节调制信号的频率，实现微波的分频或倍频。所述后端激光器的输出光经过所述单模光纤引出，经过所述光电探测器转换为微波信号，通过所述射频电缆输出。

在现有技术中，集成激光器制作是有源波导，无源波导结合，制作过程复杂。本申请实施例的相位区只使用有源波导，避免了集成激光器制作过程中复杂的有源无源波导结合。

所述前端激光器的光通过相位区注入到后端激光器中，后端激光器的光通过相位区注入到前端激光器中，两个激光器实现相互注入，从而改变两个激光器的物理特性(调制带宽增大、阈值电流降低、电光转换效率增强)。通过调谐相位区的电流可改变相位区中载流子的浓度，从而实现折射率的改变，促使光在相位区中传播的光程的变化，从而实现对前端激光器与后端激光器激射出的光的相位以及强度的控制。

另外，所述前端激光器以及所述后端激光器光栅结构中在其中央各增加了一段pi相移，可以有效的提高前端激光器与后端激光器的单模性能。制作过程中，使前端激光器自由振荡状态下激射的光波长小于后端激光器自由振荡状态下激射的光波长，从而更有利于单片集成激光器实现注入锁定。

在本申请的一个实施例中，单片集成激光器通过标准蝶形封装，共有7个管脚，分别控制着集成激光器的温度以及两个激光器区和相位区的电流，封装过程中，对单片集成激光器的芯片进行解离，并分别在集成激光器的两侧涂覆高反射膜以及抗反射膜，从而将更多的光反馈到后端激光器一侧，提高单片集成激光器输出光的功率，本集成激光器中，输出的光最终将从后端激光器口输出。

如图1所示，外部注入的调制信号71，单片集成的前端激光器1，相位区2，单片集成的后端激光器3，外部注入的调制信号72，单模光纤4，光电探测器5，射频线缆6。上述配置中，单片集成的前端激光器、后端激光器以及位于两个激光器之间的相位区构成了单片集成激光器的主体结构。

需要说明的是，为了使本发明所述装置能够工作在双周期振荡状态，所述前端激光器和所述后端激光器的波长间隔<0.5nm。本申请文件所述“双周期振荡状态”，是指所述前端激光器与所述后端激光器在相互光注入条件下联合进入的一种振荡状态，产生的双周期振荡光信号从光谱上看类似于在两个激光器的主振荡光波长上进行频率调制，且调制频率为双周期振荡频率。一般地，通过光电探测器拍频所产生的调制信号包含所述前端激光器与所述后端激光器失谐频率分量以及其对应的次谐波分量(或称双周期振荡频率分量)，具有大带宽调谐范围，不过由于实现机理为注入锁定激光器的非线性效应，拍频产生的调制信号质量较差。

还需说明的是，调制信号71和72可以通过射频口同时分别注入前端激光器或后端激光器，也可以只将71注入前端激光器或将72注入后端激光器。若同时注入前端激光器和后端激光器，则需要注入的调制信号71和72的频率一致。

图2为单片集成激光器结构示意图。

所述前端激光器、相位区、后端激光器共用同一脊波导结构。所述前端激光器1、相位区2、后端激光器3具有相同的外延材料及结构。所述材料外延结构通过传统二阶金属有机化合物化学气相沉淀法对材料外延生长得到，所述材料外延结构包括n型衬底、n型缓冲层、n型限制层、应变多量子阱层、p型限制层、光栅材料层、p型熔覆层、p型欧姆接触层、p型波导层、绝缘层和正负电极。

例如，所述前端激光器和所述后端激光器是用重构-等效啁啾技术制成的DFB激光器。所述前端激光器和所述相位区之间为第一电隔离区8，所述相位区和所述后端激光器之间为第二电隔离区9。所述第一电隔离区、第二电隔离区、前端激光器、相位区、后端激光器共用同一脊波导结构。所述第一电隔离区和所述第二电隔离区是利用电子束刻蚀技术刻蚀掉光栅结构和欧姆接触层制成。

需要说明的是，所述第一电隔离区和所述第二电隔离区的长度均在30～80μm范围内。长度小于30μm，会使电隔离区防止前端激光器与相位区，相位区与后端激光器的电极互相干扰。

单片集成三段式激光器在材料结构上包括：n型衬底10；n型缓冲层11；n型限制层12；应变多量子阱层13；p型限制层14；光栅材料层15；p型熔覆层16；p型高掺杂欧姆接触层17；SiO₂绝缘层18；前端激光器正电极19；相位区正电极20；后端激光器正电极21；负电极22。

需要说明的是，本申请任意一项实施例所述的分频与倍频产生装置中，所述前端激光器、相位区、后端激光器所采用的外延材料是III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料、掺铝半导体材料中至少一种。

图3为集成激光器双周期振荡状态典型光谱示意图。

f_m为所述前端激光器的主振荡光模式，f_s为所述后端激光器的主振荡光模式，所述前端激光器与所述后端激光器的频率差(或称失谐频率)为f_r；单片集成互注入激光器在双周期振荡状态下，产生的振荡光信号类似于在所述前端激光器与所述后端激光器的主振荡模式处进行调制信号频率调制产生的多级光边带，且调制频率为双周期振荡频率为f₀(f₀＝0.5×f_r)。优选地，所述分频与倍频产生装置中，注入到所述前端激光器或所述后端激光器的调制信号的频率为失谐频率或双周期振荡频率，从而实现双周期振荡状态下各光波信号的注入锁定，通过光电探测器拍频得到高质量的分频与倍频信号。

图4为本发明分频与倍频产生方法的实际效果图。

所述前端激光器或后端激光器的驱动信号为调制信号，通过调节调制信号的频率，使注入到所述前端激光器或所述后端激光器的调制信号的频率为失谐频率f_r时，经过分频与倍频装置输出频率为双周期振荡频率f₀的调制信号，实现微波分频；使注入到所述前端激光器或所述后端激光器的调制信号的频率为双周期振荡频率f₀时，经过分频与倍频装置输出频率为失谐频率的调制信号f_r，实现微波倍频。

需要说明的是，调制信号可以通过射频口注入前端激光器和或后端激光器。一次只需注入前端激光器或后端激光器中的一个即可，若同时注入前端激光器和后端激光器，则需要注入的调制信号的频率一致。

图5为本发明分频与倍频产生方法的控制流程图。用于本申请任意一项实施例所述所装置，包含以下步骤：

步骤101、调节所述前端激光器和/或所述后端激光器的直流偏置电流，改变所述前端激光器和所述后端激光器之间的频率间隔以及光注入比，使所述装置工作在双周期振荡状态；

在步骤101中，采用重构-等效啁啾技术来设计制造所述前端激光器与所述后端激光器，便于实现单片集成激光器工作波长的精确调控；此外，在具体实施中还需要仔细调谐位于两个激光器区之间的相位区偏置电流的大小，起到进一步精细调控所述前端激光器与所述后端激光器之间的失谐频率效果。

步骤102、在双周期振荡状态下，改变所述调制信号的频率，使所述前端激光器和所述后端激光器共同作用产生的振荡光信号相互锁定；用调制信号直接调制所述前端激光器和或所述后端激光器，当频率源注入的调制信号频率逐渐靠近双周期振荡频率时，实现微波的倍频；逐渐靠近失谐频率时，实现微波的分频。

例如，所述调制信号，可加载在前端激光器上，也可加载在后端激光器上。

需要说明的是，在本申请中：用于直接调制到单片集成激光器上的所述调制信号，其调制频率为所述前端激光器与所述后端激光器的失谐频率或者双周期振荡频率，所述双周期振荡频率为所述前端激光器与所述后端激光器失谐频率的一半。

本发明提供了一种结构紧凑、性能稳定的分频与倍频产生装置及其实现方法，并且所用到的单片集成激光器是低成本实现的。本发明用单片集成激光器方式来实现DFB激光器的双周期振荡，克服传统分立器件多、注入系统体积大、结构复杂、稳定性差等缺点。

在本发明的实施例中，利用重构-等效啁啾技术制作单片集成DFB激光器的光栅，可以通过控制μm量级的采样光栅周期来精确控制两个激光器的波长，提高了失谐频率的控制精度，从而提高单片集成激光器双周期振荡状态的可生产性与成品率，降低了单片集成激光器的制造难度和制造成本。

还需要说明的是，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、商品或者设备不仅包括那些要素，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、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种分频与倍频产生装置，包括前端激光器、相位区、后端激光器、单模光纤、光电探测器、射频电缆，其特征在于，

所述前端激光器、相位区、后端激光器依次集成在同一衬底上；

所述前端激光器、后端激光器通过相位区连接，实现相互注入；所述前端激光器和所述后端激光器的工作波长不同；

所述相位区为有源波导构成，相位区长度为200-300μm，通过电极调谐所述前端激光器、后端激光器之间的耦合强度和耦合相位，改变所述前端激光器与所述后端激光器的光注入比；

所述后端激光器的输出光经过所述单模光纤引出，经过所述光电探测器转换为微波信号，通过所述射频电缆输出；所述前端激光器和所述后端激光器是用重构-等效啁啾技术制成的DFB激光器；

通过调节调制信号的频率，使注入到所述前端激光器或所述后端激光器的调制信号的频率为失谐频率f_r时，输出频率为双周期振荡频率f₀的调制信号，实现微波分频；使注入到所述前端激光器或所述后端激光器的调制信号的频率为双周期振荡频率f₀时，输出频率为失谐频率的调制信号f_r，实现微波倍频。

2.根据权利要求1所述分频与倍频产生装置，其特征在于，

所述前端激光器、相位区、后端激光器具有相同的材料外延结构；

所述材料外延结构通过传统二阶金属有机化合物化学气相沉淀法对材料外延生长得到，所述材料外延结构包括n型衬底、n型缓冲层、n型限制层、应变多量子阱层、p型限制层、光栅材料层、p型熔覆层、p型欧姆接触层、p型波导层、绝缘层和正负电极。

3.根据权利要求1所述分频与倍频产生装置，其特征在于，所述前端激光器和所述相位区之间为第一电隔离区，所述相位区和所述后端激光器之间为第二电隔离区。

4.根据权利要求3所述分频与倍频产生装置，其特征在于，所述前端激光器、相位区、后端激光器、第一电隔离区和第二电隔离区共用同一脊波导结构。

5.根据权利要求3所述分频与倍频产生装置，其特征在于，所述第一电隔离区和所述第二电隔离区是利用电子束刻蚀技术刻蚀掉光栅结构和欧姆接触层制成。

6.根据权利要求3所述的分频与倍频产生装置，其特征在于，所述第一电隔离区和所述第二电隔离区的长度均在30～80μm范围内。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的分频与倍频产生装置，其特征在于，所述前端激光器、相位区、后端激光器所采用的外延材料是III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料、掺铝半导体材料中至少一种。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的分频与倍频产生装置，其特征在于，所述前端激光器和所述后端激光器的波长间隔<0.5nm。

9.一种分频与倍频产生方法，用于权利要求1～8任意一项所述装置，其特征在于，包含以下步骤：

调节所述前端激光器和/或所述后端激光器的直流偏置电流，改变所述前端激光器和所述后端激光器之间的频率间隔以及光注入比，使所述装置工作在双周期振荡状态；

改变所述调制信号的频率，调制信号直接调制所述前端激光器或所述后端激光器，当频率源注入的调制信号频率逐渐靠近双周期振荡频率时，实现微波的倍频；逐渐靠近失谐频率时，实现微波的分频。

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