[发明专利]基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于微波光子学技术中太赫兹通信领域。

背景技术

近年来，频段为0.1-10Thz的太赫兹波越来越受到广泛的关注，其在电磁波频谱中占有特殊的位置，在长波段方向与毫米波相重合，而在短波段方向与红外线相重合，而且太赫兹波与其它波段源相比具有很多独特的性质，其频带宽、测量信噪比高、适合于信息领域的高空间和时间分辨率成像与信号处理、大容量与高保密的数据传输、实时与安全的生物与医学诊断等功能。

现在人们正广泛研究太赫兹波在实际中的应用，当中的关键技术是研究高性能的太赫兹波的产生。根据传统的太赫兹辐射产生机理，可以分为电子学技术和光学技术。基于电子学技术产生太赫兹波，虽然可以获得较高的输出信号功率，但是这种方式产生的太赫兹波信号频率上限有限，而且实验装置体积庞大，不利于实用；而基于光学产生太赫兹波，可以得到较高频率的太赫兹波，但是转换效率低，而且输出功率较小；而且随着输出频率的增加，要求器件的带宽和成本更加突出。

在光纤-无线通信系统(Radio-Over-Fiber System，简称为ROF系统)中，高频率微波信号的产生已经得到了成功解决，如：毫米波的产生。到目前为止，已提出多种产生毫米波的方案，如直接强度调制、外部强度调制、光外差调制等。与其他两种方法相比，采用外部强度调制器的优点是产生的高频率微波信号的相位较稳定，一般能产生稳定的二倍频或者四倍频的光信号，同时通过改变微波调制信号的频率还可以实现光倍频信号的可调谐。其产生的光倍频信号的稳定性和相位噪声取决于微波调制信号和调制器。

外部强度调制方法也可用于产生更高频率的太赫兹波。但由于产生的太赫兹频率比毫米波频率要高，也就增加了调制器和微波源的带宽要求，增加了系统的价格和困难度。

四波混频方法是一种非常重要的通过非线性效应产生高频信号的方法，其通过三阶电极化效应和满足拍频过程中的频率相位匹配条件，可以实现高频率甚至太赫兹频段的全光上变频转换。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的旨在提供一种基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置及方法，采用外部调制技术结合四波混频效应的方法实现频率的上变换，有效解决光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，进而产生六倍频甚至更高频率的光信号，降低系统器件带宽要求，减少了系统成本。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置，包括单模激光器、电倍频器、强度调制器、光纤放大器、非线性器件、光滤波器和光电探测器，本发明的特征在于，所述电倍频器的输入端输入射频信号，电倍频器的输出端输出微波驱动信号，所述微波驱动信号与单模激光器输出的连续光信号一并作为强度调制器的输入信号，所述强度调制器输出含有两个一阶边带的光载波抑制信号，再依次经光纤放大器放大后，接入非线性器件的输入端，非线性器件的输出端输出的包含两个一阶边带和两个新边带的光信号经光滤波器后，输出含两个新边带的光信号作为光电探测器的输入信号，所述光电探测器的输出信号最后接入天线。

进一步的，由于马赫-曾德尔强度调制器(MZM)具有高速、高消光比、低插入损耗及制作简单等优势，所述强度调制器优选马赫-曾德尔强度调制器实现载波抑制调制。

所述非线性器件可采用半导体光放大器(OSA)或者高非线性光纤(HNL-DSF)。

与上述装置相应的，本发明还提出了一种基于光学四波混频效应的太赫兹波产生方法，其包括如下基本步骤：

1)利用单模激光器产生一个连续的光信号，采用一个射频信号经电倍频器后倍频到一个微波频率信号，再将该微波频率信号与连续的光信号一并输入强度调制器，以驱动该强度调制器进行光载波抑制，产生含有两个一阶边带的光信号；

2)所述强度调制器输出的光信号经过放大后，输入至非线性器件内进行四波混频效应，产生两个新边带，所述两个新边带的频率间隔差六倍于电倍频器输出的微波频率信号的频率；

3)非线性器件的输出信号进入光滤波器进行滤波，滤除强度调制器输出的两个一阶边带，以得出两个新边带；

4)得到的新边带再通过一个光电探测器进行拍频，产生高频的太赫兹波电信号，再由天线发射出太赫兹波。