专利摘要

专利摘要

本实用新型属于微波光子学领域，为解决现有光量化方案存在的量化精度低问题，公开了一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置及其方法，包括主激光器、光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、待测模拟电信号源、采样保持电路、第二偏振控制器、光环行器、半导体激光器、光电探测器、功分器、滤波器阵列。通过主激光器注入的方式，使半导体激光器工作在单周期振荡态；经光电转换后的输出微波频率与光注入强度相关，实现“待测信号幅度”至“输出微波瞬时频率”的映射；光电探测器的输出经功分器输入到具有不同带宽的滤波器阵列进行频域处理直接实现量化分级。本实用新型的主要优势是：量化精度高、系统装置简单和可控性强。

权利要求

1.一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置，其特征在于，包括：主激光器(1)、光衰减器(2)、第一偏振控制器(3)、强度调制器(4)、待测模拟电信号源(5)、采样保持电路(6)、第二偏振控制器(7)、光环行器(8)、半导体激光器(9)、光电探测器(10)、功分器(11)、并行滤波器阵列(12)；

所述光环行器上设置a端口、b端口、c端口；

所述强度调制器上设置有光输入端、射频输入端、光输出端；

所述光电探测器上设置有输入端和输出端；

所述并行滤波器阵列上设置有输入端和输出端；

所述功分器上设有一个输入端和N个输出端，光信号从功分器输入端导入被分配为N个支路并从N个输出端导出，N个支路中每个支路均连接有滤波器，N个支路中的滤波器共同构成所述的并行滤波器阵列，其中N为功分器输出端的个数；

所述主激光器(1)、光衰减器(2)、第一偏振控制器(3)、强度调制器(4)、第二偏振控制器(7)、光环行器(8)的a端口通过光纤顺次相连；光环行器(8)的b端口连接到半导体激光器(9)；光环行器(8)的c端口连接到光电探测器(10)的输入端；待测模拟电信号源(5)、采样保持电路(6)、强度调制器(4)的射频输入端顺次相连；光电探测器(10)的输出端连接到功分器(11)的输入端；功分器(11)的输出端与并行滤波器阵列(12)的输入端连接；并行滤波器阵列(12)的输出端作为光电量化装置的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置，其特征在于，所述半导体激光器(9)为输出端不带隔离器的单模分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置，其特征在于，所述半导体激光器(9)工作在单周期振荡态，半导体激光器工作在单周期振荡态的振荡频率下限记为fL，上限记为fH，半导体激光器的单周期振荡频率调谐范围是fL～fH，调谐带宽记为B，则满足B＝fH-fL。

说明书

技术领域

本实用新型公开了一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置及其方法，涉及通信、雷达以及微波光子学领域。

背景技术

模数转换器(ADC,analog-to-digital converter)通常包括采样、量化和编码三部分，在通信、雷达以及信号处理以及图像处理等场合有着广泛的应用。由于电子载流子迁移率的限制，传统电学ADC的发展遇到了瓶颈，限制了其性能的进一步提升。因此，研究人员提出了多种基于光子技术的光学ADC来克服这一电子瓶颈。目前，光学ADC中采样部分研究已经比较深入，有些方案已经实现应用，相比而言在量化和编码方面研究工作较少，大多数方案仍然采用电的方法。

目前，基于光子技术的量化方案中最经典的是利用并联的多个马赫曾德调制器(MZM,Mach-Zehnder modulator)间的传输响应倍增关系进行幅度量化(参见[H.F.Taylor,“An optical analog-to-digital converter-design and analysis”,IEEEJournal of Quantum Electronics,vol.15,no.4,pp.210-216,1979])。但是该方案需要多个电光调制器进行级联或并联，系统结构复杂，且量化精度受限于调制器的半波电压精度，难以实现高精度的量化分级。美国弗罗里达大学的H.Zmuda等人利用模拟电信号驱动波长可调谐激光器，改变激光器输出光波长，随后采用光学滤波器、散射光栅或汇聚透镜等器件将不同波长的光信号分散到不同位置，通过在相应位置进行光电探测实现分级量化(参见[H.Zmuda,“Analog-to-digital conversion using high-speed photonic processing”,in International Symposium on Optical Science and Technology,2001,San Diego,United States])。该方案中波长可调谐激光器的低调谐速度、调谐过程中可能出现的非线性以及光域滤波的低精度等都大大限制了采样的速率和量化精度。现有基于光子技术的量化方案共同的缺点是量化精度低，难以进一步提高。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置及方法，以解决已有光量化方案存在的量化精度低的缺点，具有速率高、量化精度高、结构简单，成本低廉和易于实现的优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置，包括：主激光器、光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、待测模拟电信号源、采样保持电路、第二偏振控制器、光环行器、半导体激光器、光电探测器、功分器、并行滤波器阵列；

所述光环行器上设置a端口、b端口、c端口；

所述强度调制器上设置有光输入端、射频输入端、光输出端；

所述光电探测器上设置有输入端和输出端；

所述并行滤波器阵列上设置有输入端和输出端；

所述功分器上设有一个输入端和N个输出端，光信号从功分器输入端导入被分配为 N个支路从N个输出端导出，N个支路中每个支路均连接有滤波器，N个支路中的滤波器共同构成所述的并行滤波器阵列，其中N为功分器输出端的个数；

所述主激光器、光衰减器、第一偏振控制器、强度调制器、第二偏振控制器、光环行器的a端口通过光纤顺次相连；光环行器的b端口连接到半导体激光器；光环行器的 c端口连接到光电探测器的输入端；待测模拟电信号源、采样保持电、强度调制器的射频输入端顺次相连；光电探测器的输出端连接到功分器的输入端；功分器的输出端与并行滤波器阵列的输入端连接；并行滤波器阵列的输出端作为光电量化装置的输出端。

进一步的，所述半导体激光器为输出端不带隔离器的单模分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射激光器。

进一步的，所述半导体激光器工作在单周期振荡态，半导体激光器工作在单周期振荡态的振荡频率下限记为fL，上限记为fH，半导体激光器的单周期振荡频率调谐范围是fL～fH，调谐带宽记为B，则满足B＝fH-fL。

进一步的，所述并行滤波器阵列包含N个并行的带通滤波器，其通带频率范围依次为(fL,fH)、(fL,fH-B/N)、…、(fL,fH-(N-1)B/N)。

上述光注入半导体激光器的光电量化装置在使用时的操作步骤如下：

步骤1、主激光器产生的连续光信号经过光衰减器和第一偏振控制器输入到强度调制器、通过控制第一偏振控制器使得强度调制器的插入损耗最小；设置强度调制器的偏置电压使其工作在线性点；通过控制第二偏振控制器使得注入到半导体激光器的效率最高；设置主激光器的输出频率并通过控制光衰减器改变光注入强度使得半导体激光器的工作在单周期振荡态，半导体激光器的单周期振荡频率的调谐范围是fL～fH，且单周期振荡频率与光注入强度线性相关；半导体激光器输出的光信号经过光电探测器拍频后产生单频微波信号，其频率等于单周期振荡频率；

步骤2、待测模拟电信号源输出的微波信号经过采样保持电路进行采样保持操作后输入到强度调制器的射频端来控制光注入强度，将待测微波信号的幅值变化映射为步骤1中光电探测器输出单频微波信号的频率变化；光电探测器的输出经过功分器后输入到并行滤波器阵列，并行滤波器阵列包含N个并行的带通滤波器，其通带频率范围依次为 (fL,fH)、(fL,fH-B/N)、…、(fL,fH-(N-1)B/N)；根据输出微波频率的不同，信号会通过对应的一个或多个带通滤波器，判别信号所通过的带通滤波器位置即可确定输入信号的量化级。

上述方案中“通过控制第一偏振控制器使得强度调制器的插入损耗最小”中的“最小”是指所用的强度调制器的插入损耗最小值。“通过控制第二偏振控制器使得注入到半导体激光器的效率最高”中的“最高”为所用的半导体激光器效率的最大值。

上述字母符号只是为了便于描述不同部件间关系做出的标记，也可替换为其它符号。字母本身并不构成对结构形状的限定。

有益效果：本实用新型提供了一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置及其方法。和已有的基于光子技术的量化方案不同，本方案利用了光注入半导体激光器的单周期振荡态，实现了“待测信号幅度”至“输出微波瞬时频率”的映射，并通过电域频谱处理直接实现量化分级。由于光注入半导体激光器的单周期振荡频率调谐范围广、调谐速率高且电域滤波精度高，本实用新型提出的光电量化装置及方法具有速率高、精度高、系统装置简单和可控性强的优点。

附图说明

图1为本实用新型中基于光注入半导体激光器的光电量化装置的结构示意图；

图2为基于光注入半导体激光器的光电量化装置中光注入强度与输出微波频率的关系图；

图3为待测模拟电信号源经过采样保持电路后的输出信号波形图；

图4为输出微波信号的瞬时频率和量化结果图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。

一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置，如图1所示，图1是基于光注入半导体激光器的光电量化装置的结构示意图，包括：主激光器1、光衰减器2、第一偏振控制器3、强度调制器4、待测模拟电信号源5、采样保持电路6、第二偏振控制器7、光环行器8、半导体激光器9、光电探测器10、功分器11、并行滤波器阵列12；

所述主激光器1、光衰减器2、第一偏振控制器3、强度调制器4、第二偏振控制器 7、光环行器8的a端口通过光纤顺次相连；光环行器8的b端口连接到半导体激光器9；光环行器8的c端口连接到光电探测器10的输入端；待测模拟电信号源5、采样保持电路6、强度调制器4的射频输入端顺次相连；光电探测器10的输出端连接到功分器11 的输入端；功分器11的输出端与并行滤波器阵列12的输入端连接；并行滤波器阵列12 的输出端作为光电量化装置的输出端。

所述光环行器上设置a端口、b端口、c端口；

所述强度调制器上设置有光输入端、射频输入端、输出端；

所述光电探测器上设置有输入端和输出端；

并行滤波器阵列上设置有输入端和输出端；

所述功分器上设有一个输入端和N个输出端，光信号从功分器输入端导入被分配为 N个并行支路从N个输出端导出，N个支路中每个支路均连接有滤波器，N个支路中的滤波器共同构成所述的并行滤波器阵列，其中N为功分器输出端的个数；

进一步的，所述半导体激光器为输出端不带隔离器的单模分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射激光器。

进一步的，所述半导体激光器(9)工作在单周期振荡态，半导体激光器工作在单周期振荡态的振荡频率下限记为fL，上限记为fH，半导体激光器的单周期振荡频率调谐范围是fL～fH，调谐带宽记为B，则满足B＝fH-fL。)。

进一步的，所述并行滤波器阵列包含N个并行的带通滤波器，其通带频率范围依次为(fL,fH)、(fL,fH-B/N)、…、(fL,fH-(N-1)B/N)。

图1仅为本方案装置各个技术特征之间的连接关系示意图，图1中的各部件的形状仅仅表示其示意，并不构成对其形状和结构的限定。

本实用新型所涉及的基于光注入半导体激光器的光电量化装置及其方法的具体工作原理如下：

本实用新型主要基于光注入半导体激光器的单周期振荡非线性动力学状态。设置主激光器与半导体激光器间频率失谐及光注入强度参数，使得光注入半导体激光器系统工作在单周期振荡态，此时半导体激光器的输出光信号呈现自持的单频强度振荡；该输出信号光电探测器拍频后可产生一单频微波信号，频率等于单周期振荡频率。对于给定的主激光器与半导体激光器间频率失谐，增大光注入强度，单周期振荡频率随之近似线性增加。待测模拟电信号源的输出经采样保持操作后加载到强度调制器上对瞬时光注入强度进行调制。因此，光电探测器输出的微波信号频率即单周期振荡频率会随着待测模拟电信号源的输出信号幅度的变化而变化，实现了“待测信号幅度”至“输出微波瞬时频率”的映射。光电探测器的输出经功分器输入到并行滤波器阵列，其中N个并行带通滤波器的通带频率范围依次为(fL,fH)、(fL,fH-B/N)、…、(fL,fH-(N-1)B/N)；根据光电探测器输出微波频率的不同，信号会通过对应的一个或多个带通滤波器，判别信号所通过的带通滤波器位置即可确定输入信号的量化级。具体的，以4位量化为例，选取输出微波频率为fH-B/4时的电信号幅度最为第一个判决幅度A1th，当信号幅度大于A1th时，并行滤波器的第一个输出记为“1”，小于A1th记为“0”；选取输出微波频率为fH-B/2 时的电信号幅度最为第一个判决幅度A2th，当信号幅度大于A2th时，并行滤波器的第二个输出记为“1”，小于A2th记为“0”；依次类推，选取输出微波频率为fH-B时的电信号幅度最为第四个判决幅度A4th，当信号幅度大于A4th时，并行滤波器的第四个输出记为“1”，小于A4th记为“0”。因此，当待测电信号幅度大于A1th，量化输出记为(1111)；相应的，当待测电信号幅度在A2th～A1th之间，A3th～A2th之间，A4th～A3th之间，量化输出分别对应(0111)、(0011)、(0001)。

上述光注入半导体激光器的光电量化装置在使用时的操作步骤如下：

步骤1、主激光器1产生的连续光信号经过光衰减器2和第一偏振控制器3输入到强度调制器4、通过控制第一偏振控制器3使得强度调制器4的插入损耗最小；设置强度调制器4的偏置电压使其工作在线性点；通过控制第二偏振控制器7使得注入到半导体激光器9的效率最高；设置主激光器1的输出频率并通过控制光衰减器2改变光注入强度使得半导体激光器12的工作在单周期振荡态，半导体激光器12的单周期振荡频率的调谐范围是fL～fH，且单周期振荡频率与光注入强度线性相关；半导体激光器12输出的光信号经过光电探测器10拍频后产生单频微波信号，其频率等于单周期振荡频率。

步骤2、待测模拟电信号源5输出的微波信号经过采样保持电路6进行采样保持操作后输入到强度调制器4的射频端来控制光注入强度，将待测微波信号的幅值变化映射为步骤1中光电探测器10输出单频微波信号的频率变化；光电探测器10的输出经过功分器11后输入到并行滤波器阵列12，并行滤波器阵列12包含N个并行的带通滤波器，其通带频率范围依次为(fL,fH)、(fL,fH-B/N)、…、(fL,fH-(N-1)B/N)；根据输出微波频率的不同，信号会通过对应的一个或多个带通滤波器，判别信号所通过的带通滤波器位置即可确定输入信号的量化级。

为了验证本实用新型技术方案的效果，进行了实验验证。实验中主激光器1的波长为1552.870nm，输出功率为13.5dBm；半导体激光器9为商用单模分布反馈半导体激光器，其自由运行的波长和功率分别为1552.915nm和4.98dBm，主激光器1和半导体激光器9的频率差为5.6GHz。设置光衰减器2使得从激光器工作在单周期振荡态，图 2为基于光注入半导体激光器的光电量化装置的光注入强度与输出微波频率关系图：随着光注入强度的增大，单周期振荡频率即光电探测器10输出微波频率从fL＝9.6GHz近似线性增加到fH＝22.1GHz，调谐范围B＝12.5GHz。强度调制器4为10GHz带宽的马赫曾德调制器，偏置在线性点。待测模拟电信号源5输出的微波信号经过采样保持电路 6进行采样保持操作后输出多电平阶跃信号，实验中用图3所示的信号的代替。图3所示的信号加载于强度调制器4，使得输出微波瞬时频率随待测信号的幅度变化而变化。图4为输出微波信号的瞬时频率图，微波瞬时频率的四个状态值分别为13.8，20.8，17.3，和10.3GHz。选取N＝4，设置并行滤波器阵列12的4个带通滤波器的通带频率范围分别为9.6～22.1GHz，9.6～18.975GHz，9.6～15.85GHz和9.6～12.725GHz。光电探测器10 的输出微波信号经过功分器11后输入到并行滤波器阵列12；根据输出微波频率的不同，信号会通过对应的一个或多个带通滤波器，判别信号所通过的带通的滤波器位置即可确定输入信号的量化级。图4中给出了微波瞬时频率的四个状态值分别对应的量化级，对应的编码结果依次为“0011”，“1111”，“0111”和“0001”，即实现了4位的光电量化。

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

一种基于光注入半导体激光器的光电量化装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。