一种太赫兹超宽带通信波形的光外差调控系统的制作方法

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种太赫兹超宽带通信波形的光外差调控系统。

背景技术：

为解决现有无线通信系统频谱资源和容量有限的问题，近年来，太赫兹通信受到了广泛的重视。太赫兹频段通常指0.1～10THz，通信带宽远大于微波毫米波，基于光电方式的太赫兹通信系统可携带高达几十到几百吉比特(Gbps)的数据信息。

太赫兹通信的方法主要有连续太赫兹载波调制和太赫兹脉冲调制。连续太赫兹波载波一般采用光外差混频(photo-mixing)两路连续激光的方式产生，通过调制其中一路连续激光实现太赫兹通信信号的调制。而常见的太赫兹脉冲的光电产生方式为超短光脉冲照射非线性晶体和飞秒脉冲激励光电导天线等。非线性效应和光电导效应都需要很高的光学峰值功率，且大大超过光电调制器的损坏光功率，所以飞秒脉冲的重复频率通常都很低(50-100MHz)，而且不利于太赫兹信号的光学调制。

常见的太赫兹脉冲发射接收系统由飞秒脉冲源(femtosecond laser)、斩波器(optical chopper)、波束分割器(BS)、THz发射器(THz emitter)、接收器(THz detector)等组成。通过瞬时光电导开关(photoconductive switching)的原理，当光电流随时间变化时，其产生的光电流大小对应入射激光束强度的时间微分，从而将飞秒激光脉冲转换成宽带太赫兹脉冲。

公布号为CN 104155825 A的专利公开了一种大能量太赫兹脉冲产生方法和装置，具体是将一束高能量的飞秒脉冲均匀的分成两束或多束，将它们分别入射到参数完全相同的ZeTn晶体中，通过飞秒脉冲光整流过程在晶体中分别产生太赫兹脉冲，通过调节时间延迟使产生的太赫兹脉冲同时到达探测器，可以得到相干合成的太赫兹脉冲。该方法的重复频率比较低，而且不利于太赫兹信号的光学调制。

技术实现要素：

本发明提供了一种太赫兹超宽带通信波形的光外差调控系统，采用连续光和脉冲光的外差混频方式实现太赫兹脉冲的产生，并能实现太赫兹高速脉冲通信信号的调制。

一种太赫兹超宽带通信波形的光外差调控系统，包括高重复频率脉冲激光源、可编程脉冲整形器、连续激光器、双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)、光纤延迟线、耦合器、太赫兹发射器(UTC-PD)；所述的可编程脉冲整形器对高重复频率光脉冲源进行波形整形，并将整形的脉冲信号输送到耦合器；所述的双平行马赫曾德尔调制器对连续激光器进行调制，并将调制的光信号经光纤延迟线输送到耦合器，所述的耦合器将整形的脉冲信号与调制的光信号耦合后照射到太赫兹发射器，产生太赫兹脉冲。

所述的高重复频率脉冲激光源用于发射1550nm光通信波段高重复频率(≥10GHz)的脉冲源。

所述的高重复频率脉冲激光源为可调谐半导体激光器或光纤激光器。

所述的可编程脉冲整形器对高重复频率为f₀的光脉冲源进行波形整形。脉冲源在频域上呈现为频率间隔为f₀的梳状谱，通过频谱的精细整形，可以对脉冲的形状进行设计。

所述的可编程脉冲整形器对高重复频率的梳状谱逐线(line-by-line)作幅度和相位处理。通过对频域的光脉冲源频谱逐线处理，在光域上灵活调控设计脉冲时域波形，例如高斯形、抛物线形、洛伦兹形等。根据时域波形和频域频谱的傅立叶变换对应关系，例如，当可编程脉冲整形器的整形后输出梳状谱呈现高斯包络时，脉冲在时域上为重复频率f₀的高斯脉冲。

高重复频率为f₀对应的时域脉冲时间间隔为T。

所述的连续激光器产生连续的稳态光信号。

所述的双平行马赫曾德尔调制器由两个子马赫曾德尔调制器(MZM)和一个主马赫曾德尔调制器构成，其中两个子马赫曾德尔调制器内嵌在主马赫曾德尔调制器的两个调制臂上。双平行马赫曾德尔调制器通过在两个子马赫曾德尔调制器上调制数字基带信号，并通过主马赫曾德尔调制器实现对输入连续激光的正交相位控制，从而可以实现如正交相移键控(QPSK)等复杂调制方式。

所述的光纤延迟线采用基于光纤的1550nm光通信用可调延迟控制线。

所述的光纤延迟线用于调节数字信号到达耦合器的时间，实现数字信号和光脉冲的同步，一比特数字信号对应N个脉冲。

所述的耦合器将连接在耦合器输入端的两路1550nm波段光信号耦合在一路并输出。

所述的太赫兹发射器采用天线集成的单行载流子光电探测器，太赫兹发射器相对于传统的光电探测器，只有高速移动的电子是激发态的载流子，因而具有超快的皮秒量级光子响应速度和超大的带宽。

在时域上，每个数字比特将同时调制N个脉冲，产生太赫兹脉冲的中心频率由整形的脉冲信号与调制的连续光信号的中心波长差决定。例如，整形后的脉冲光中心波长和连续激光的中心波长相差2.4nm时，产生的太赫兹脉冲中心频率在300GHz。

一般情况下，太赫兹发射天线为偶极子(Dipole)或领结(Bow-Tie)两种电极结构的小孔径天线，在时域上太赫兹辐射电磁波为探测器中瞬态光电流的一阶微分。因此，太赫兹辐射脉冲的形状设计由光脉冲滤波整形灵活处理。

太赫兹脉冲的调制格式(如OOK、BPSK、QPSK等)由调制连续光这种简单的方式实现。

太赫兹超宽带通信波形的光外差调控系统的工作工程如下：

可编程脉冲整形器对高重复频率光脉冲源进行波形整形，马赫曾德尔调制器对连续激光器进行相对低速(f₀/N)的调制，整形的脉冲源与调制的连续光信号通过耦合器耦合在一起后照射太赫兹发射器，产生太赫兹脉冲，在光外差混频机制下，一个光脉冲将对应产生一个太赫兹脉冲。

本发明采用连续光和脉冲光的外差混频方式光电产生太赫兹调制脉冲序列。太赫兹脉冲的调控都在光域进行，太赫兹通信脉冲的调制通过调制连续光实现，太赫兹脉冲形状由可编程脉冲整形器在光域上整形光脉冲进行设计。该方案可实现太赫兹高速脉冲通信信号的调制。

本发明与其他太赫兹脉冲发射接收系统相比，具有的优势为：

(1)太赫兹脉冲的中心频率由外差两个激光器中心波长差决定，简单易控。

(2)太赫兹时域脉冲波形通过可编程脉冲整形器在光域灵活设计。

(3)脉冲编码通过调制连续光实现，可实现太赫兹脉冲的高速通信。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是QPSK调制的太赫兹波形。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，太赫兹超宽带通信波形的光外差调控系统，包括高重复频率脉冲激光源、可编程脉冲整形器、连续激光器、双平行马赫曾德尔调制器、光纤延迟线、耦合器、太赫兹发射器。

脉冲激光源采用1550nm光通信波段的高重复频率脉冲源，例如10GHz重复频率，还可以通过光时分复用的方式获得更高的重复频率，例如40GHz甚至更高。

可编程脉冲整形器采用基于固态硅基液晶技术的10GHz分辨率1550nm波段可编程光处理器，对高重复频率的频谱逐线(line-by-line)作幅度和相位处理。根据时域波形和频域频谱的傅立叶变换对应关系，通过频域的频谱精细处理，设计光学处理器的输出频域包络形状，例如高斯形、抛物线形、洛伦兹形等，从而在光域上调控脉冲波形。太赫兹时域辐射电磁波为相应波形的一阶微分，因此，太赫兹脉冲形状由在光域设计的光脉冲形状决定，例如高斯型光脉冲的一阶微分为高斯型单周期脉冲(Gaussian monocycle)。

连续激光器采用常用的光通信用1550nm波段波长可调谐半导体激光器或光纤激光器。

光纤延迟线采用基于光纤的1550nm光通信用可调延迟控制线。

双平行马赫曾德尔调制器采用1550nm波段的低射频带宽(小于10GHz)的商用DPMZM调制器，对连续激光器进行f₀/N的二进制数字信号调制，N为整数。调制后的连续激光通过光纤延迟线控制延时，以同步数字比特和光脉冲(一比特对应N个脉冲)。在3dB光纤耦合器之后，同步的调制连续激光和整形后的脉冲光合为一路并送入天线集成的太赫兹发射器。目前日本NTT商用化UTC-PD的响应带宽可达1.5THz，300GHz频率的发射功率高达0dBm，另外英国UCL和法国IEMN研制的UTC-PD也具有相当好的带宽和响应度等性能。

在太赫兹发射器的外差混频机制下，两路光的中心波长差将决定太赫兹中心频率，例如，整形后的脉冲光中心波长和连续激光的中心波长相差2.4nm时，产生的太赫兹脉冲中心频率在300GHz。同时，在一个比特数字信号和N个光脉冲同步的情况下，N个脉冲将被同一比特调制，从而具有相同的太赫兹脉冲波形、幅度和相位。

图2示例了QPSK调制的太赫兹波形，天线辐射的00和11波形为互为反向的高斯二阶微分(doublet)脉冲，01和10则为互为反向的高斯型单周期脉冲(monocycle)。因此，通过低速调制连续光，避免使用大带宽调制器，实现高速太赫兹通信脉冲的编码。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。