一种窄线宽太赫兹波产生芯片及太赫兹波产生方法与流程

本发明涉及太赫兹无线通信，特别是涉及一种窄线宽太赫兹波产生芯片及太赫兹波产生方法。

背景技术：

1、太赫兹(terahertz，简称thz)波是指频率在0.1-10thz范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间(30μm-3mm)，所以亦称其为亚毫米波。太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。

2、在通信领域里，理论来讲，频率越高通信容量就越大，太赫兹波的频率比目前使用的微波要高1～4个数量级，它能提供10gbit/s以上的无线传输速率，这是微波无法达到的高度，因此它能解决信息传输受制于带宽的问题，也能满足用户对带宽的需求。

3、目前利用电子学产生太赫兹的方法有返波管(bwo)、迴旋管(gyrotron)、自由电子激光器(fel)、固态电子学倍频等，但是它们体积庞大，能耗高，价格昂贵，设备维护繁琐，应用受到很大限制；利用光子学产生太赫兹的方法也有较多的报道，如通过高功率co2激光器泵浦气体池产生太赫兹波、光学差频(dfg)、太赫兹参量产生/振荡器(tpg/tpo)、光学cherenkov辐射效应等，但是这些方法同样存在电光效率低，体积重量大，无法实现小型化等根本问题。

4、缺乏能够室温下工作的高效率、可调谐、低成本、小型化的太赫兹波产生方法，导致人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限；可批量生产的小型化、低成本半导体器件是未来十年大规模部署商用太赫兹通讯系统的关键。

5、在商业化应用中，基于iii-v族化合物半导体材料的单片光子集成芯片(photonicintegrated circuit，简称pic)的双波长光源在尺寸、成本、可靠性、大批量生产等方面具有非常明显的优势；通过光子集成方式将多个有源和无源器件单元实现单片集成，将可进一步减小体积、耦合损耗，提高稳定性，降低封装和测试复杂度，因此单片光子集成是目前实现商业化高性能太赫兹系统最有前途的光源解决方案。

6、所以本发明为实现小型化、高性能、低成本的太赫兹光源提供了新颖的技术方案，能极大地促进太赫兹技术的研究与市场应用。

技术实现思路

1、本发明提供一种窄线宽太赫兹波产生芯片及太赫兹波产生方法，其中能够芯片实现室温连续工作、低成本、小型化，能够产生频率可调谐、高功率、窄线宽的太赫兹波，能极大地促进太赫兹技术的研究与市场应用。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种窄线宽太赫兹波产生芯片，包括半导体材料基底及集成在半导体材料基底上的光学频率梳产生器、分波器、两个可调谐激光器、光调制器和合波器；

4、上述光学频率梳产生器的光信号输出端与上述分波器输入端连接，上述分波器的两个输出端分别与两个上述可调谐激光器的输入端连接，其中一个上述可调谐激光器的输出端与上述光调制器的输入端连接，另外一个上述可调谐激光器的输出端和上述光调制器的输出端均与上述合波器的输入端连接；

5、光学频率梳产生器、分波器、两个可调谐激光器、光调制器和合波器之间均由光波导结构相连接。

6、优选地，上述的光学频率梳产生器采用半导体锁模激光器或集成非线性光学频率梳器件的任意一种。

7、优选地，上述分波器采用阵列波导光栅或1×2多模干涉耦合器的任意一种。

8、优选地，上述可调谐激光器采用分布式反馈半导体激光器、分布式布拉格反射半导体激光器或采样式光栅分布布拉格反射激光器的任意一种。

9、优选地，上述光调制器包括相位调制区和幅度调制区，上述相位调制区包括从下到上设置的相位n型inp层、相位量子阱区和纵向p-i-p层，上述幅度调制区包括从下到上设置的n型inp层、调制量子阱区、调制光栅区和幅度p型inp层。

10、优选地，上述光调制器、上述分波器、上述合波器和上述光波导均为无源结构，光学频率梳产生器和两个可调谐激光器为有源结构，多个有源结构和无源结构通过光子集成方式实现单片集成。

11、一种窄线宽太赫兹波产生方法，使用上述的产生芯片产生太赫兹波，步骤如下：

12、使用光学频率梳产生器产生等间距的光学频率梳；

13、通过分波器将上述光学频率梳产生器输出的1路光信号等分为2路光信号，两个输出端的信号分别注入到两个可调谐激光器内，进行光注入锁定；

14、其中一个可调谐激光器输出的光波进入光调制器内，对光波进行高速调制；

15、经过光调制器调制的光波和另外一个可调谐激光器输出的光波进入合波器，然后合波，双模激光信号从单一的波导输出；

16、将单一波导中的双模激光信号耦合到集成了天线的光电导开关混频器或光探测器上，最终辐射出太赫兹波。

17、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

18、1、光学频率梳产生器、分波器、两个可调谐激光器、光调制器和合波器集成在半导体材料基底，体积小、成本低、稳定性高，能在室温下工作，且有利于批量化生产，能满足无线通信市场高性能、低成本、大批量生产的商业产品需求。

19、2、通过光学频率梳产生器产生一系列等间距的光学频率梳，光信号相干性较好，从容导致产生的光信号时域上的脉冲极其窄而强，从而注入激光器内后锁模的效果好。

20、3、通过光学频率梳产生器产生一系列等间距的光学频率梳，然后通过光注入锁定两个可调谐激光器，从而优化光波频率响应，提供稳定双波长高功率窄线宽的太赫兹源，而且相比于传统的太赫兹发射器，提升了太赫兹辐射源的线宽质量，为高速太赫兹通讯系统降低误码率提供解决方案，集成芯片频率灵活连续可调且覆盖较长的传输频率窗口，从而大幅度降低了太赫兹通信系统的复杂度。

技术特征：

1.一种窄线宽太赫兹波产生芯片，其特征在于，包括半导体材料基底及集成在半导体材料基底上的光学频率梳产生器、分波器、两个可调谐激光器、光调制器和合波器；

2.根据权利要求1所述的太赫兹波产生芯片，其特征在于，所述的光学频率梳产生器采用半导体锁模激光器或者集成非线性光学频率梳器件的任意一种。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波产生芯片，其特征在于，所述分波器采用阵列波导光栅或1×2多模干涉耦合器的任意一种。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波产生芯片，其特征在于，所述可调谐激光器采用分布式反馈半导体激光器、分布式布拉格反射半导体激光器或采样式光栅分布布拉格反射激光器的任意一种。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波产生芯片，其特征在于，所述光调制器包括相位调制区和幅度调制区，所述相位调制区包括从下到上设置的相位n型inp层、相位量子阱区和纵向p-i-p层，所述幅度调制区包括从下到上设置的幅度n型inp层、调制量子阱区、调制光栅区和幅度p型inp层。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波产生芯片，其特征在于，所述光调制器、所述分波器、所述合波器和所述光波导均为无源结构，光学频率梳产生器和两个可调谐激光器为有源结构，多个有源结构和无源结构通过光子集成方式实现单片集成。

7.一种窄线宽太赫兹波产生方法，其特征在于，使用权利要求1-6中所述的产生芯片产生太赫兹波，步骤如下：

技术总结
本发明涉及一种窄线宽太赫兹波产生芯片及太赫兹波产生方法，包括半导体材料基底及集成在半导体材料基底上的光学频率梳产生器、分波器、两个可调谐激光器、光调制器和合波器；光学频率梳产生器的光信号输出端与分波器输入端连接，分波器的两个输出端分别与两个可调谐激光器的输入端连接，其中一个可调谐激光器的输出端与光调制器的输入端连接，另外一个可调谐激光器的输出端和光调制器的输出端均与合波器的输入端连接；光学频率梳产生器、分波器、两个可调谐激光器、光调制器和合波器之间均由光波导结构相连接；本发明中芯片体积小、成本低、稳定性高，而且相比于传统的太赫兹发射器，提升了太赫兹辐射源的线宽质量。

技术研发人员：吉晨,孙珍珍,陈钊,黎嘉平,任晓宁
受保护的技术使用者：渚羽科技（杭州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13