一种产生频率调制连续波的单臂调制器及方法

1.本发明属于半导体激光技术领域，具体涉及一种产生频率调制连续波的单臂调制器及方法。


背景技术：

2.fmcw全名为(frequency modulated continuous waves)，简称频率调制连续波，是频率随时间变化的连续光信号，应用于高精度雷达测距领域，相比于传统的脉冲激光信号，fmcw拥有更远的探测距离，更高的分辨率和更强抗干扰能力。
3.实现fmcw的方法分为内调制技术和外调制技术，外调制技术为激光器与调制器协同工作产生fmcw，激光器产生一束频率稳定的光传入调制器，经过调制器调制后传出fmcw。
4.在现有的技术中，目前使用双平行马赫曾泽尔结构的调制器，利用单边带调制技术产生fmcw。但该调制器结构较为复杂、插入损耗大、体积大、难以与光源集成，这必然会增加了车载激光雷达的整体体积和成本，不利于小型化。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种产生频率调制连续波的单臂调制器及方法。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种产生频率调制连续波的单臂调制器，包括调制器主体，所述调制器主体包括：
8.芯片主体，通过刻蚀在其上形成单脊直波导结构；作为传递路径传输输入激光；
9.射频行波电极，设置在所述芯片主体上；
10.偏置电极，设置在所述芯片主体上；所述偏置电极与射频行波电极之间的变化电场作用于输入激光，生成不同频率的输出光信号。
11.优选的，所述调制器主体还包括：
12.衬底材料，所述芯片主体在所述衬底材料的外延生长形成。
13.优选的，所述芯片主体包括：
14.从下到上依次层叠的n型限制层、半导体材料芯层和p型限制层；
15.两个介质层，分别设置在所述n型限制层和半导体材料芯层以及所述半导体材料芯层和p型限制层之间。
16.优选的，
17.所述射频行波电极设置在所述p限制层顶端，并与所述p限制层连接；
18.所述偏置电极设置在远离所述半导体材料芯层的一端，并与所述n限制层连接。
19.优选的，
20.所述衬底和n型限制层上通过刻蚀形成台面。
21.优选的，
22.所述n型限制层、半导体材料芯层和p型限制层上通过刻蚀形成台面。
23.优选的，所述单脊直波导结构的材料为所述芯片主体的介质层的材料。
24.优选的，所述单脊直波导结构的材料为半导体材料。
25.优选的，所述单脊直波导结构的两端分别为输入激光的入光口和输出光信号的出光口。
26.一种频率调制连续波产生方法，包括以下步骤:
27.入射光进入单脊直波导结构；
28.偏置电极和随时间变化电信号的射频行波电极共同作用在单脊直波导结构上产生随时间变化的电场，通过电光效应，使入射光在单脊直波导结构中产生相位变化；
29.利用入射光的相位与光频率互为微分积分的关系，计算频率调制连续波所对应的光相位变化；
30.按照频率调制连续波所对应的光相位变化产生频率调制连续波。
31.本发明提供的一种产生频率调制连续波的单臂调制器及方法具有以下有益效果：本发明通过调制相位的方式实现光的频率调制，利用光相位与光频率互为微分积分的关系，计算频率调制连续波所对应的光相位变化，按照该相位变化调制光相位以产生对应的频率调制连续波。入射光在单臂调制器中传播时，光的相位变化受行波电极上所加的随时间变化的电信号的控制，外加电信号在调制器波导结构上产生随时间变化的电场，从而通过电光效应，引起入射光在单臂调制器中传播的相位变化，进而导致入射光频率变化，通过控制施加电信号控制相位变化进而控制频率变化以产生各种波形的频率调制连续波。本发明使用单臂调制器利用相位调制的手段直接调制光频率，相比于现有的通过双平行马赫增泽尔调制器利用单边带调制技术，减少了结构复杂度，减小了体积，降低了成本，直接有利于小型化。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例1的产生频率调制连续波的单臂调制器的结构图；
34.图2为本发明实施例1的产生频率调制连续波的单臂调制器的左视图；
35.图3为本发明实施例1的产生频率调制连续波的单臂调制器的主视图；
36.图4为本发明实施例1的移频15ghz的频率调制连续三角波；
37.图5为本发明实施例1的移频15ghz的频率调制连续三角波所对应的相位变化。
38.附图标记说明：
39.11、调制器主体；12、射频行波电极；13、偏置电极；14、台面；15a、入光口；15b、出光口；111、衬底；112、n型限制层；113、半导体材料芯层；114、p型限制层。
具体实施方式
40.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
43.实施例1
44.参阅图1-图3，本发明公开了一种产生频率调制连续波的单臂调制器，包括调制器主体11，调制器主体11包括：芯片主体、射频行波电极12、偏置电极13和衬底111材料。
45.其中，芯片主体在inp衬底111材料的外延生长形成，芯片主体通过刻蚀在其上形成单脊直波导结构，并作为传递路径传输输入激光。芯片主体包括：n型限制层112、半导体材料芯层113、p型限制层114和两个介质层。n型限制层112、半导体材料芯层113和p型限制层114从下到上依次层叠，两个介质层分别设置在n型限制层112和半导体材料芯层113以及半导体材料芯层113和p型限制层114之间。inp衬底111和n型限制层112上通过刻蚀形成台面14。n型限制层112、半导体材料芯层和p型限制层114上通过刻蚀形成台面14。
46.射频行波电极12设置在p限制层顶端，并与p限制层连接。偏置电极13设置在远离半导体材料芯层113的一端，并与n限制层连接。偏置电极13与射频行波电极12之间的变化电场作用于输入激光，生成不同频率的输出光信号。具体的，调制器上的射频行波电极12上连接射频信号，偏置电极13连接直流偏置信号，使波导处产生随时间变化的电场，入射光信号经过单臂调制器后出射光信号的相位随时间发生变化。
47.在本实施例中，单脊直波导结构的材料为芯片主体的介质层的材料或半导体材料。并且单脊直波导结构的两端分别为输入激光的入光口15a和输出光信号的出光口15b。
48.参阅图4和图5，图4为移频15ghz的频率调制连续三角波，图5为移频15ghz的频率调制连续三角波所对应的相位变化。根据频率与相位互为微分积分的关系计算波长1550nm的光移频15ghz时，频率调制连续三角波的相位变化，控制施加在行波电极上的电信号，使入射光相位按图5所示变化以产生如图4所示的频率调制连续三角波。
49.本发明中公开的一种产生频率调制连续波的单臂调制器的制造方法为：在inp衬底111材料上外延生长形成调制器主体11；对芯片主体进行刻蚀，以在芯片主体上形成两个台面14；对芯片主体进行刻蚀，以在芯片主体上形成单脊直波导；在p型限制层的顶部成型射频行波电极12，并在n型限制层远离调制器主体部分成型偏置电极13。
50.在本实施例中，还包括一种频率调制连续波产生方法，具体包括以下步骤:入射光进入单脊直波导结构；偏置电极13和随时间变化电信号的射频行波电极12共同作用在单脊直波导结构上产生随时间变化的电场，通过电光效应，使入射光在单脊直波导结构中产生相位变化；利用入射光的相位与光频率互为微分积分的关系，计算频率调制连续波所对应
的光相位变化；按照频率调制连续波所对应的光相位变化产生频率调制连续波。
51.以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。