[发明专利]利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件。

背景技术

本发明是一种基于半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)四波混频效应的单片光子集成器件，通过光外差来产生高频微波，其应用范围十分广泛，包括无线局域网、天线远程控制等。下面首先简要介绍高频微波或者毫米波在无线通信中的重要性，然后介绍光电子技术在毫米波无线通信中的应用。

近年来，随着光纤网络和互联网络(Internet)的不断发展，以Internet为载体的语音、图像、数据、视频、以及多媒体业务大大刺激了人们对于通信速率的需求。以波分复用技术(WDM)为基础的光纤通信技术迅速发展并得到广泛应用，已成为干线系统物理层最为有效的传输手段。但另一方面，连接用户终端与干线光纤网络的接入网的通信速率却还处于较低的水平。目前，处于整个通信链路之中的“first mile”(或称为“last mile”)的接入网成为了高速通信技术的瓶颈，因此下一代高速接入技术成为近年来研究的热点。在各种接入技术之中，高速无线接入技术由于具有终端可移动的灵活性而备受关注。提高传输速率最为行之有效的方法是采用频率更高的电磁波作为通信载波，因此使用比目前移动通信载波(800MHz～1.9GHz)频率更高的毫米波(30GHz～300GHz)，可以支持传输速率超过Gb/s的高速无线接入。由于毫米波段的微波在高速无线通信方面展现出的潜力，美国、日本、德国等多个国家目前都在进行毫米波无线接入技术的研究，其中核心的研究内容包括接入网系统结构、毫米波的产生和传输技术。

由于毫米波具有极高的频率，如果采用传统的同轴电缆进行传输则其损耗十分严重。同时，采用电域的方法产生和处理毫米波信号也存在成本较高的问题。一个有效的解决方案是将毫米波无线接入与光波技术相结合，利用光波作为载波传输毫米波信号，可以有效的降低其传输损耗，即通常所说的RoF(Radio overFiber)技术。同时，可以利用光波技术实现毫米波信号的产生，从而有效地降低无线接入系统的复杂度和成本。

若要在光波上加载频率为f的毫米波，可以直接利用毫米波振荡器产生频率为f的信号并采用高速光调制器将该信号加载到光波上。但由于目前毫米波振荡器和工作在毫米波频段上的高速光调制器价格仍然十分昂贵，因此限制了接入系统的成本。另一方面，可以采用光外差的方法产生毫米波信号，即利用两个频率差为f的光信号在光电探测器中通过差频产生频率为f信号。由于这种方法不需要毫米波振荡器和高速光调制器，可以极大的降低系统成本。同时，该方法还可以与光波分复用技术相结合，同时调制多个信道，从而进一步降低整个系统的成本和简化系统结构。因此，光差频型毫米波无线接入网结构简单，成本低廉，非常适合于下一代的宽带无线接入网。目前，利用光外差法产生微波或者毫米波的技术主要包括双波长激光器、锁模激光器、光锁相环、边带注入锁定等方案。最近，文献(T.Wang，M.Chen，H.Chen and S.Xie，“Millimetre-wave signalgeneration using FWM effect in SOA”，Electronics Letters，vol.43，No.1，pp.36～38，2007)中报道了一种利用SOA的非线性效应来产生毫米波的方法，其系统如图1所示。在该文献中，先用LiNbO₃调制器对一个半导体激光器进行调制，会产生两个一阶调制边带。设激光器输出光的频率为ω₀，调制频率为ω，那么两个一阶边带的频率分别为ω₀+ω和ω₀-ω。这两个一阶调制边带依次通过掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Ampiifer，EDFA)放大，并通过一个带通滤波器滤出EDFA产生的放大的自发辐射，然后进入半导体光放大器。由于半导体光放大器的尺寸较小，通常都在1mm以下，所以很容易满足相位匹配的条件，从而发生四波混频效应(four-wave mixing，FWM)。当发生四波混频效应时，那么两个一阶调制边带可以作为泵浦光，产生两个新频率的光，其频率分别为ω₀+3ω和ω₀-3ω，同时，这两束新产生的光的相位是相关的，与作为光源的半导体激光器的相位保持恒定，因此，这两束光进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为6ω而且相位噪声较小的微波。SOA对半导体激光器调制边带四波混频产生毫米波信号是一个新的研究方向。