专利名称：一种基于太赫兹波的音频无线通信链路实现方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于太赫兹(THz)波段的音频无线通信链路实现方法及系统，尤其是指一种基于太赫兹量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers, QCL)和量子阱探测器 (Quantum Well Photodetector, QffP)的音频无线通信链路实现方法及系统。属于半导体光电器件应用技术领域。
背景技术：
根据Edholm的带宽定律，在过去25年内，短距离无线通信系统的带宽需求每隔18 个月翻一番。为了满足日益增长的带宽需求，其中一种方法是通过采用更先进的调制技术提高频带利用率，通过采用多种复用方式来增加信道容量，但香农定理告诉我们，这种方法提供的数据传输能力依旧有限。为了提供足够的带宽，人们需要采用更高的载频，这就延伸到了 THz频段。THz辐射源是THz频段应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，基于半导体的全固态THzQCL由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点。因此，它一经发明就引起广泛的关注并成为本领域的研究热点。当前，THzQCL研究的重点主要集中在有源区结构的设计、工作温度的提升、连续波工作、高发射光功率、低激射频率以及阈值电流密度的降低等方面。THzQffP是一种重要的窄带探测器，具有很好的光谱分辨能力和很快的响应速度， 在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特的优势。目前，基于 GaAs/AlGaAs材料体系的量子阱探测器主要有光电导型和光伏型两种，已报道的THz波段的量子阱探测器多属于光电导型。鉴于对THz波段器件的深入研究，本发明提出一种利用THzQCL作为发射源，光电导型THzQWP作为探测器的音频无线通信链路及实现方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于太赫兹波的音频无线通信链路实现方法及系统，利用太赫兹量子级联激光器和量子阱探测器，通过系统搭建、自行设计调制解调的方法和发射端接收端的电路，实现利用THz波实时传输音频信号。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种基于太赫兹波的音频无线通信链路的实现方法，包括以下步骤采用太赫兹量子级联激光器(THzQCL)作为辐射源辐射THz波，并对其进行强度调制，将音频信号加载到THz波上；采用太赫兹量子阱探测器(THzQWP)接收所述太赫兹量子级联激光器(THzQCL)辐射源辐射出的THz波，检测THz波信号；其中，将通过太赫兹量子阱探测器(THzQWP)的光电流信号转化成电压信号，并对此电压信号滤波和放大，然后输出给音响设备。作为本发明的优选方案之一，将音频信号加载到THz波上的方法为将输入的音频信号放大后，与直流偏压信号叠加，再将叠加后的电压信号通过大功率放大电路放大，然后用该放大后的电压信号驱动太赫兹量子级联激光器(THzQCL)辐射源，以辐射THz波。进一步优选地，将叠加后的电压信号通过大功率放大电路放大时，使直流偏压部分放大为11. 3V，音频信号部分的峰峰值Vp_p放大为0. 6V。作为本发明的优选方案之一，检测THz波信号时采用光电导模式，给太赫兹量子阱探测器(THzQWP)加上稳定的偏压，经过跨阻放大器将通过太赫兹量子阱探测器 (THzQffP)的光电流转化成电压。进一步优选地，给太赫兹量子阱探测器(THzQWP)所加的稳定偏压为_50mV。根据上述实现方法，本发明还提出一种基于太赫兹波的音频无线通信链路系统， 其包括发射端和接收端；所述发射端包括驱动电路及与之连接的太赫兹量子级联激光器(THzQCL)；所述驱动电路包括顺次连接的音频信号放大电路、音频信号与直流偏压信号的叠加电路，用于根据输入的音频信号输出叠加有音频信号的驱动电压信号，从而驱动所述太赫兹量子级联激光器(THzQCL)辐射相应的太赫兹波信号；所述接收端包括太赫兹量子阱探测器(THzQWP)及与之连接的信号检测电路；所述太赫兹量子阱探测器(THzQWP)通过光导装置接收所述太赫兹波信号，并将接收到的太赫兹波信号转化为光电流信号发送至所述信号检测电路；所述信号检测电路包括顺次连接的将光电流信号转换为电压信号的转换电路、 电压信号滤波放大电路，用于将接收到的光电流信号转化为电压信号并滤波放大输出至外部音响设备。作为本发明的优选方案之一，所述发射端的驱动电路还包括叠加信号功率放大电路，所述叠加信号功率放大电路与所述音频信号与直流偏压信号的叠加电路连接，用于将叠加后的电压信号放大，并以之驱动所述太赫兹量子级联激光器。其中所述叠加信号功率放大电路采用大功率放大器为放大器件，以满足太赫兹量子级联激光器(THzQCL)高电压大电流的需求。作为本发明的优选方案之一，所述信号检测电路中，转换电路的输入端连接有恒定偏压，通过跨阻放大器将光电流信号转换为电压信号。本发明的有益效果在于通过自行设计制作的THzQCL驱动电路以及THzQWP信号检测电路，实现了将音频信号加载到太赫兹波上进行传输，并接收、还原音频信号的目的，在调制和解调过程中音频信号的失真较小。采用本发明的音频无线通信链路实现方法及系统，由音频播放器输出音频信号，可在THzQWP探测端得到清晰的声音信号，成功地完成太赫兹波实时传输声音信号的演示。
以下是对本发明涉及的各示意图的阐述。图1为实施例中音频无线通信链路系统的结构示意图；图2为实施例中THzQCL驱动电路的原理图；图3为实施例中THzQWP信号检测电路的部分原理图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的基于太赫兹波的音频无线通信链路实现方法及系统，通过介绍THz波无线通信的演示实验，说明本发明内容的可行性。本发明的发明人经过对太赫兹器件的深入研究，通过系统搭建、自行设计调制解调的方法和发射端接收端的电路，提出一种基于太赫兹量子级联激光器和量子阱探测器的音频无线通信链路的实现方法。该方法采用THzQCL作为辐射源辐射THz波，并对其进行强度调制，将音频信号加载到THz波上；其中，将音频信号加载到THz波上的方法为将输入的音频信号放大后， 与一直流偏压信号叠加，再将叠加后的电压信号通过大功率放大电路放大，使直流偏压为 11. 3V，音频信号的Vp_p为0. 6V，然后用该放大后的电压信号驱动THzQCL辐射源，以辐射THz 波。然后通过光导装置，采用THzQWP接收所述THzQCL辐射源辐射出的THz波，检测THz波信号；其中，将通过THzQWP的光电流信号转化成电压信号，并对此电压信号滤波并放大，然后输出给音响设备；检测THz波信号时采用光电导模式，给THzQWP加上-50mV的稳定偏压， 经过跨阻放大器将通过THzQWP的光电流转化成电压。基于上述方法设计制作的音频无线通信链路系统，包括发射端和接收端，如图1 所示。所述发射端包括驱动电路及与之连接的THzQCL。其中，所述驱动电路用于根据输入的音频信号输出叠加有音频信号的驱动电压信号，从而驱动所述THzQCL辐射相应的 THz波信号。该驱动电路包括顺次连接的音频信号放大电路、音频信号与直流偏压信号的叠加电路。优选地，该驱动电路还包括叠加信号的功率放大电路，该叠加信号的功率放大电路与所述音频信号与直流偏压信号的叠加电路连接，用于将叠加后的电压信号放大，并以之驱动所述THzQCL，使直流偏压部分的电压位于该THzQCL的V-P曲线线性区的中部，以减小信号传输的失真。其中该叠加信号的功率放大电路可以采用大功率放大器为放大器件， 以满足THzQCL高电压大电流的需求。图2提供了所述驱动电路的一种可能的电路原理图， 但本发明中的驱动电路不仅限于此，由图可见，该驱动电路包括顺次连接的音频信号放大电路、音频信号与直流偏压信号的叠加电路以及叠加信号的功率放大电路三部分。所述接收端包括=THzQWP及与之连接的信号检测电路。所述THzQWP通过光导装置接收所述THz波信号，并将接收到的THz波信号转化为光电流信号发送至所述信号检测电路；所述信号检测电路包括顺次连接的将光电流信号转换为电压信号的转换电路、电压信号滤波放大电路，用于将接收到的光电流信号转化为电压信号并滤波放大输出至外部音响设备。优选地，所述信号检测电路中，转换电路的输入端连接有恒定偏压，通过跨阻放大器将光电流信号转换为电压信号。图3提供了所述信号检测电路中的部分可能的电路原理图，但本发明中的信号检测电路不仅限于此。根据图1、图2和图3，本实施例中THz波无线通信的演示实验包括如下步骤(1)将THzQCL和THzQWP分别装在制冷机冷头上，对准光路，使THzQCL的发光点位于抛面镜Ml的焦点处，THzQffP的受光点位于抛面镜M2的焦点处。Ml与M2间隔2米。参见图1。(2) THzQCL驱动电路采用士 18V供电。音频信号由MP3播放器提供(也可由麦克风提供)。调节电路中的电位器，可以调节音频信号电压分量与直流电压的比例。参见图 2。(3)图2中输出的叠加信号经过大功率电压放大器放大，使得叠加信号中的直流偏置电压为11. 3V (此为THzQCL的V-P曲线线性区的中部)，音频信号(交流信号)Vp_p为 0. 6V左右，以此电压信号来驱动THzQCL。这样在调制和解调过程中音频信号的失真较小。(4)图3中的THzQWP信号检测电路采用4节干电池供电，供电电压为士3V。提供给Bias-Volt端的偏置电压约为-50mV，该电压可调。Jl 口接THzQWP，J2 口信号输出至示波器、耳机或其他音响设备。本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种基于太赫兹波的音频无线通信链路的实现方法，其特征在于，包括以下步骤采用太赫兹量子级联激光器作为辐射源辐射THz波，并对其进行强度调制，将音频信号加载到THz波上；采用太赫兹量子阱探测器接收所述太赫兹量子级联激光器辐射源辐射出的THz波，检测THz波信号；其中，将通过太赫兹量子阱探测器的光电流信号转化成电压信号，并对此电压信号滤波和放大，然后输出给音响设备。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路的实现方法，其特征在于将音频信号加载到THz波上的方法为将输入的音频信号放大后，与直流偏压信号叠加，再将叠加后的电压信号通过大功率放大电路放大，然后用该放大后的电压信号驱动太赫兹量子级联激光器辐射源，以辐射THz波。
3.根据权利要求2所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路的实现方法，其特征在于将叠加后的电压信号通过大功率放大电路放大时，使直流偏压部分放大为11. 3V，音频信号部分的峰峰值Vp_p放大为0. 6V。
4.根据权利要求1所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路的实现方法，其特征在于检测THz波信号时采用光电导模式，给太赫兹量子阱探测器加上稳定的偏压，经过跨阻放大器将通过太赫兹量子阱探测器的光电流转化成电压。
5.根据权利要求4所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路的实现方法，其特征在于给太赫兹量子阱探测器所加的稳定偏压为_50mV。
6.一种基于太赫兹波的音频无线通信链路系统，其特征在于，包括发射端和接收端；所述发射端包括驱动电路及与之连接的太赫兹量子级联激光器；所述驱动电路包括顺次连接的音频信号放大电路、音频信号与直流偏压信号的叠加电路，用于根据输入的音频信号输出叠加有音频信号的驱动电压信号，从而驱动所述太赫兹量子级联激光器辐射相应的太赫兹波信号；所述接收端包括太赫兹量子阱探测器及与之连接的信号检测电路；所述太赫兹量子阱探测器通过光导装置接收所述太赫兹波信号，并将接收到的太赫兹波信号转化为光电流信号发送至所述信号检测电路；所述信号检测电路包括顺次连接的将光电流信号转换为电压信号的转换电路、电压信号滤波放大电路，用于将接收到的光电流信号转化为电压信号并滤波放大输出至外部音响设备。
7.根据权利要求6所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路系统，其特征在于所述发射端的驱动电路还包括叠加信号功率放大电路，所述叠加信号功率放大电路与所述音频信号与直流偏压信号的叠加电路连接，用于将叠加后的电压信号放大，并以之驱动所述太赫兹量子级联激光器。
8.根据权利要求7所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路系统，其特征在于所述叠加信号功率放大电路采用大功率放大器为放大器件。
9.根据权利要求6所述的基于太赫兹波的音频无线通信链路系统，其特征在于所述信号检测电路中，转换电路的输入端连接有恒定偏压，通过跨阻放大器将光电流信号转换为电压信号。
全文摘要
本发明公开了一种基于太赫兹波的音频无线通信链路实现方法及系统。该音频无线通信链路系统包括发射端和接收端，其发射端包括驱动电路和与之连接的THzQCL，驱动电路采用强度调制，输出叠加有音频信号的驱动电压信号，从而驱动THzQCL辐射相应的太赫兹波信号；接收端包括THzQWP和与之连接的信号检测电路，信号检测电路采用光电导模式，给THzQWP加上稳定的偏压，经过跨阻放大器将通过THzQWP的光电流信号转化成电压信号，并对此电压信号滤波和放大，输出给音响设备。采用该音频无线通信链路实现方法及系统，由音频播放器输出音频信号，可在THzQWP探测端得到清晰的声音信号，成功地完成太赫兹波实时传输声音信号的演示。
文档编号H04B10/10GK102394689SQ201110045058
公开日2012年3月28日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者曹俊诚, 谭智勇, 陈镇, 韩英军 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所