專利名稱：基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波光子學技術中太赫茲通信領域。
背景技術：
近年來，頻段為0. l-10Thz的太赫茲波越來越受到廣泛的關注，其在電磁波頻譜 中占有特殊的位置，在長波段方向與毫米波相重合，而在短波段方向與紅外線相重合，而且 太赫茲波與其它波段源相比具有很多獨特的性質，其頻帶寬、測量信噪比高、適合于信息領 域的高空間和時間分辨率成像與信號處理、大容量與高保密的數(shù)據(jù)傳輸、實時與安全的生 物與醫(yī)學診斷等功能。 現(xiàn)在人們正廣泛研究太赫茲波在實際中的應用，當中的關鍵技術是研究高性能的 太赫茲波的產(chǎn)生。根據(jù)傳統(tǒng)的太赫茲輻射產(chǎn)生機理，可以分為電子學技術和光學技術。基于 電子學技術產(chǎn)生太赫茲波，雖然可以獲得較高的輸出信號功率，但是這種方式產(chǎn)生的太赫 茲波信號頻率上限有限，而且實驗裝置體積龐大，不利于實用；而基于光學產(chǎn)生太赫茲波， 可以得到較高頻率的太赫茲波，但是轉換效率低，而且輸出功率較??；而且隨著輸出頻率的 增加，要求器件的帶寬和成本更加突出。 在光纖-無線通信系統(tǒng)(Radio-Over-Fiber System,簡稱為R0F系統(tǒng))中，高頻率
微波信號的產(chǎn)生已經(jīng)得到了成功解決，如毫米波的產(chǎn)生。到目前為止，已提出多種產(chǎn)生毫
米波的方案，如直接強度調制、外部強度調制、光外差調制等。與其他兩種方法相比，采用外
部強度調制器的優(yōu)點是產(chǎn)生的高頻率微波信號的相位較穩(wěn)定，一般能產(chǎn)生穩(wěn)定的二倍頻或
者四倍頻的光信號，同時通過改變微波調制信號的頻率還可以實現(xiàn)光倍頻信號的可調諧。
其產(chǎn)生的光倍頻信號的穩(wěn)定性和相位噪聲取決于微波調制信號和調制器。 外部強度調制方法也可用于產(chǎn)生更高頻率的太赫茲波。但由于產(chǎn)生的太赫茲頻率
比毫米波頻率要高，也就增加了調制器和微波源的帶寬要求，增加了系統(tǒng)的價格和困難度。 四波混頻方法是一種非常重要的通過非線性效應產(chǎn)生高頻信號的方法，其通過三
階電極化效應和滿足拍頻過程中的頻率相位匹配條件，可以實現(xiàn)高頻率甚至太赫茲頻段的
全光上變頻轉換。

發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明的目的旨在提供一種基于光學四波混頻效應的太赫茲
波產(chǎn)生裝置及方法，采用外部調制技術結合四波混頻效應的方法實現(xiàn)頻率的上變換，有效
解決光纖無線通信技術中產(chǎn)生太赫茲波的微波驅動信號頻率和調制器帶寬問題，進而產(chǎn)生
六倍頻甚至更高頻率的光信號，降低系統(tǒng)器件帶寬要求，減少了系統(tǒng)成本。 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是，一種基于光學四波混頻效應的太
赫茲波產(chǎn)生裝置，包括單模激光器、電倍頻器、強度調制器、光纖放大器、非線性器件、光濾
波器和光電探測器，本發(fā)明的特征在于，所述電倍頻器的輸入端輸入射頻信號，電倍頻器的
輸出端輸出微波驅動信號，所述微波驅動信號與單模激光器輸出的連續(xù)光信號一并作為強度調制器的輸入信號，所述強度調制器輸出含有兩個一階邊帶的光載波抑制信號，再依次 經(jīng)光纖放大器放大后，接入非線性器件的輸入端，非線性器件的輸出端輸出的包含兩個一 階邊帶和兩個新邊帶的光信號經(jīng)光濾波器后，輸出含兩個新邊帶的光信號作為光電探測器 的輸入信號，所述光電探測器的輸出信號最后接入天線。 進一步的，由于馬赫_曾德爾強度調制器(MZM)具有高速、高消光比、低插入損耗 及制作簡單等優(yōu)勢，所述強度調制器優(yōu)選馬赫_曾德爾強度調制器實現(xiàn)載波抑制調制。
所述非線性器件可采用半導體光放大器(0SA)或者高非線性光纖(HNL-DSF)。
與上述裝置相應的，本發(fā)明還提出了一種基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生 方法，其包括如下基本步驟 1)利用單模激光器產(chǎn)生一個連續(xù)的光信號，采用一個射頻信號經(jīng)電倍頻器后倍頻 到一個微波頻率信號，再將該微波頻率信號與連續(xù)的光信號一并輸入強度調制器，以驅動 該強度調制器進行光載波抑制，產(chǎn)生含有兩個一階邊帶的光信號； 2)所述強度調制器輸出的光信號經(jīng)過放大后，輸入至非線性器件內進行四波混頻
效應，產(chǎn)生兩個新邊帶，所述兩個新邊帶的頻率間隔差六倍于電倍頻器輸出的微波頻率信 號的頻率； 3)非線性器件的輸出信號進入光濾波器進行濾波，濾除強度調制器輸出的兩個一 階邊帶，以得出兩個新邊帶； 4)得到的新邊帶再通過一個光電探測器進行拍頻，產(chǎn)生高頻的太赫茲波電信號， 再由天線發(fā)射出太赫茲波。 本發(fā)明的工作原理是所述基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置采用一個
微波信號驅動強度調制器，其中馬赫-曾德爾強度調制器(Mach-ZehnderModulator)作為
優(yōu)選器件，它能通過電信號的變化轉變?yōu)楣庑盘柕淖兓?，實現(xiàn)光信號的調制。本發(fā)明首先利 用單模激光器產(chǎn)生連續(xù)的光信號，其和電倍頻器后倍頻輸出的高頻的微波頻率信號一并輸
入強度調制器，以驅動該強度調制器進行光載波抑制，產(chǎn)生含有兩個一階邊帶的光信號
—個微波源信號EKF (t) = VKFcoS (" KFt+ e )驅動MZM，將微波信號調制在光載波E。 =Acos("。t)上，則輸出的光信號可表示為
了
COS
+ -
;r cos(cy,/) + cos
+ cos ( J + (9)
(0) 其中，VKF為微波信號的幅度，Vn為MZM的半波電壓，Vd。為直流偏置電壓，
微波源頻率，"。為光載波頻率，e為微波信號的相位。 將(1)式置e = ji ，Vd。 = -L，通過Bessel展開，得到載波抑制的("c_(
("。+"KF)兩個一階邊帶，近似表示為
RF為 P)和 其中義=兀'
表示為MZM的調制深度c 將上述載波抑制調制產(chǎn)生的('
F)和('
F)兩個一階邊帶的光信號經(jīng)光纖放大器進行放大，然后接入半導體光放大器(S0A)或高非線性光纖(HNL-DSF)等非線性
器件，經(jīng)過四波混頻效應，在信號光的兩側產(chǎn)生頻率分別為("。_3"KF)和("。+3"KF)相干
的新邊帶，其頻率差六倍于微波驅動信號頻率wKF。采用光濾波器進行濾波，只保留兩個新
邊帶。接著輸入到光電探測器，可以得到的電信號為，
<formula>formula see original document page 5</formula> (3) 其中，R表示為光電探測器轉換效率，"2分別表示為輸入到光電探測器兩個光波的頻率，小p c^分別表示為輸入到光電探測器兩個光波的相位，Pp&分別表示為輸入到光電探測器兩個光波的光功率。 由于("C_3"KF)和("C+3"KF)的兩個新邊帶是相干的光波，艮卩小「小2為常量，其頻率差為"^的六倍，因而通過光電探測器產(chǎn)生六倍頻的電太赫茲信號，最后通過天線將太赫茲波發(fā)射出去。 本發(fā)明所述基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置及方法中，產(chǎn)生太赫茲波時，使用了光載波抑制產(chǎn)生的光信號作為泵浦光，該泵浦光在相位上具有相關性，使得在非線性器件中進行四波混頻效應后，能產(chǎn)生偏振不敏感的轉換波長，具有高效的四波混頻轉換波長范圍、偏振不敏感、低損耗和高穩(wěn)定性等優(yōu)點。與以往產(chǎn)生太赫茲波方式相比，四波混頻效應(F麗)可以提高光倍頻頻率，降低器件的帶寬要求，降低了太赫茲產(chǎn)生裝置的成本。該方案結構簡單緊湊，有利于實用，并且還可以通過調節(jié)射頻信號的頻率實現(xiàn)可調諧的太赫茲波的產(chǎn)生。


圖1為實施例中基于光學四波混頻效應產(chǎn)生太赫茲波裝置的原理示意 在附圖中 1-單模激光器2-微波信號源 3-電倍頻器
4-強度調制器5-光纖放大器 6-非線性器件
7-光濾波器 8-光電探測器(PD)9-天線 10-太赫茲波
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作具體說明。 由圖1所示，基于光學四波混頻效應產(chǎn)生太赫茲波裝置包括單模激光器1、電倍頻器、強度調制器4、光纖放大器5、非線性器件6、光濾波器7和光電探測器8，所述電倍頻器3的輸入端輸入有微波信號源2輸出的射頻信號，電倍頻器3的輸出端輸出微波驅動信號，其與單模激光器1輸出的連續(xù)光信號一并作為強度調制器4的輸入信號，所述強度調制器4輸出含有兩個一階邊帶的光信號，再依次經(jīng)光纖放大器5放大后，接入非線性器件6，輸出包含有兩個一階邊帶和兩個新邊帶的光信號，再經(jīng)光濾波器7后，輸出含兩個新邊帶的光信號作為光電探測器8的輸入信號，所述光電探測器8的輸出信號最后接入天線9，最后輸出太赫茲波10。 上述各個模塊的具體說明如下所述 單模激光器l，用于產(chǎn)生指定波長的單縱模光載波；
射頻信號2，用于產(chǎn)生可調諧頻率的微波源信號； 電倍頻器3，用于將微波源信號電倍頻到高頻的微波信號； 強度調制器4，用于對指定波長的單縱模光載波進行載波抑制調制，本實施例采用具有高速、高消光比、低插入損耗及制作簡單等優(yōu)勢的馬赫-曾德爾強度調制器(MZM);
光纖放大器5，對一階邊帶光信號的進行功率放大； 非線性器件6，用于對一階邊帶信號進行四波混頻效應，本實施例采用半導體光放大器(0SA)或非線性光纖(HNL-DSF); 光濾波器7，用于濾出一階邊帶，保留轉換波長后的兩個新邊帶信號； 光電探測器8，用于對轉換后波長的光信號的進行拍頻產(chǎn)生太赫茲電信號，本實施
例中光電探測器采用光電二極管； 天線9，將太赫茲電信號以太赫茲波形式發(fā)射出去。 基于上述基于光學四波混頻效應產(chǎn)生太赫茲波裝置，本實施例采用的基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生方法的具體工作過程如下 利用單模激光器1產(chǎn)生一個連續(xù)的光載波， 一個微波源信號2經(jīng)一個電倍頻器3進行電倍頻，產(chǎn)生一個高頻的微波驅動信號，再將該信號加載到強度調制器4，通過調節(jié)強度調制器4的偏置電壓來產(chǎn)生光載波抑制的信號，產(chǎn)生的兩個一階邊帶之間為倍頻后的驅動信號的兩倍，使之作為四波混頻效應的泵浦光，采用光纖放大器5對一階邊帶光信號進行功率放大，然后進入非線性器件6進行四波混頻效應，產(chǎn)生新的混頻邊帶，頻差為驅動信號的六倍，再用一個可光濾波器7濾除兩個一階邊帶，將混頻邊帶經(jīng)光電探測器8進行拍頻產(chǎn)生太赫茲電信號，最后通過天線9將太赫茲電信號以太赫茲波形式發(fā)射出去。
在基于光學四波混頻效應產(chǎn)生太赫茲波的裝置中，由電倍頻后的微波信號和單模激光器1驅動的強度調制器4，只要合理設置好兩端的電壓和偏置電流就可以實現(xiàn)光載波抑制的兩個一階邊帶，而且這兩個邊帶的相位有很好的相干性，通過四波混頻效應，產(chǎn)生偏振不敏感的轉換波長。由于非線性器件6較寬的頻率轉換范圍，能產(chǎn)生六倍甚至更高的信號頻率，相對于其他外部調制方案產(chǎn)生太赫茲波，其對微波調制信號頻率和調制器帶寬要求較低，并能產(chǎn)生功率穩(wěn)定的太赫茲波，而且整個系統(tǒng)具有結構簡單和可移植性好的特點，這樣更具有實用價值?？傊?，本發(fā)明的優(yōu)點是將外部調制技術技術和四波混頻效應融合到太赫茲波源產(chǎn)生，具有很廣的應用領域，結構簡單，性能穩(wěn)定，器件帶寬要求低。
本發(fā)明所指范圍并不局限于上述實施例所述具體器件，凡是采用了與上述器件技術效果一致的其他相似器件構成的基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置，均應在本發(fā)明保護范圍之內。
權利要求
一種基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置，包括單模激光器、電倍頻器、強度調制器、光纖放大器、非線性器件、光濾波器和光電探測器，其特征在于，所述電倍頻器的輸入端輸入射頻信號，電倍頻器的輸出端輸出微波驅動信號，所述微波驅動信號與單模激光器輸出的連續(xù)光信號一并作為強度調制器的輸入信號，所述強度調制器輸出含有兩個一階邊帶的光載波抑制信號，再依次經(jīng)光纖放大器放大后，接入非線性器件的輸入端，非線性器件的輸出端輸出的包含兩個一階邊帶和兩個新邊帶的光信號經(jīng)光濾波器后，輸出含兩個新邊帶的光信號作為光電探測器的輸入信號，所述光電探測器的輸出信號最后接入天線。
2. 根據(jù)權利要求1所述基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置，其特征在于，所 述強度調制器采用馬赫_曾德爾強度調制器。
3. 根據(jù)權利要求1所述基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置，其特征在于，所 述非線性器件采用半導體光放大器或者高非線性光纖。
4. 一種基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生方法，其特征在于，包括如下步驟1) 利用單模激光器產(chǎn)生一個連續(xù)的光信號，采用一個射頻信號經(jīng)電倍頻器后倍頻到一 個微波頻率信號，再將該微波頻率信號與連續(xù)的光信號一并輸入強度調制器，以驅動該強 度調制器進行光載波抑制，產(chǎn)生含有兩個一階邊帶的光信號；2) 所述強度調制器輸出的光信號經(jīng)過放大后，輸入至非線性器件內進行四波混頻效 應，產(chǎn)生兩個新邊帶，所述兩個新邊帶的頻率間隔差六倍于電倍頻器輸出的微波頻率信號 的頻率；3) 非線性器件的輸出信號進入光濾波器進行濾波，濾除強度調制器輸出的兩個一階邊 帶，以得出兩個新邊帶；4) 得到的新邊帶再通過一個光電探測器進行拍頻，產(chǎn)生高頻的太赫茲波電信號，再由 天線發(fā)射出太赫茲波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種屬于微波光子學技術領域中基于光學四波混頻效應的太赫茲波產(chǎn)生裝置及方法。本發(fā)明利用外部強度調制器的光載波抑制調制和非線性器件中的四波混頻效應，將微波源信號經(jīng)過電倍頻后驅動強度調制器，形成只有兩個一階邊帶的載波抑制信號，再經(jīng)過非線性器件形成兩個新邊帶，接著由光濾波器濾除原有的一階邊帶，只保留兩個新邊帶，在光電檢測器(PD)中對兩個新邊帶拍頻，能夠產(chǎn)生六倍頻的太赫茲波頻率。本發(fā)明降低了微波調制信號頻率和調制器帶寬要求，減少了系統(tǒng)的成本，其產(chǎn)生裝置結構簡單，移植性好，產(chǎn)生的太赫茲波具有很高的穩(wěn)定性。
文檔編號H04B10/12GK101794953SQ201010104370
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權日2010年2月1日
發(fā)明者文雙春, 李瑛 , 范滇元, 鄭之偉 申請人:湖南大學