一种太赫兹发生器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种太赫兹发生器，包括激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环和带太赫兹辐射天线的光电转换器；激光器输出的光经一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，输入移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲通过另一个光纤耦合器与第二路光在带太赫兹辐射天线的光电转换器上混频，辐射出一系列时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲。本发明所提供的太赫兹发生器，全光纤化、体积小、利于集成，频谱范围宽，频率稳定性高，具有重要的科学意义和应用价值。
【专利说明】一种太赫兹发生器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太赫兹发生器，特别涉及一种基于光子混频以及带太赫兹辐射天线的光电转换器的太赫兹发生器。
【背景技术】
[0002]太赫兹(terahertz, THz)波介于毫米波与红外光两者之间,对应的波长从3mm到30 μ m,通常是指频率从10GHz到1THz的宽频谱电磁波。近年来，由于THz波在材料科学、物理学、生命科学、信息技术、天文学和国防安全等多个领域所展示的广阔的应用前景，THz科学与技术研究获得了飞速的发展，而THz源是THz发展的一个主要限制因素。
[0003]根据工作原理可以将太赫兹波产生技术划分为三类:首先，太赫兹辐射可以由激光器产生，量子级联激光器、P型锗激光器和远红外气体激光器等都可以辐射太赫兹波。其次，太赫兹辐射可以在非线性介质中产生，光整流、差频和倍频都属于这一类方法。其中光整流方法可以实现脉冲太赫兹辐射，差频和倍频方法可以实现太赫兹辐射。最后，太赫兹辐射可以由加速电子产生，利用真空中的自由电子如电子加速器可以实现宽带太赫兹辐射，返波管和自由电子激光器则可以实现太赫兹辐射。利用半导体中的光电流如光电导发射天线可以分别实现脉冲和太赫兹辐射。
[0004]在上述众多方法中，基于光子混频，在光电导发射天线中实现太赫兹辐射的方法具有线宽窄、可调谐范围宽、结构简单、室温工作及价格低等优点。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种太赫兹发生器，采用全光纤化，体积小，利于集成，频谱范围宽，频率稳定性高。
[0006]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0007]—种太赫兹发生器，包括激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环和带太赫兹辐射天线的光电转换器；激光器输出的光经一个光纤稱合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，输入移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲通过另一个光纤耦合器与第二路光在带太赫兹辐射天线的光电转换器上混频，辐射出一系列时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲。
[0008]一种太赫兹发生器，包括激光器、两个光纤耦合器、光开关、两个移频环和带太赫兹辐射天线的光电转换器；激光器输出的光经光开关产生光脉冲，再经一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路光脉冲通过一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，第二路光脉冲输入另一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔减小的光脉冲，第二路光脉冲通过另一个光纤耦合器与第一路光脉冲在带太赫兹辐射天线的光电转换器上混频，辐射出一系列时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲。
[0009]所述第一路和第二路光脉冲光程相等或者两路光脉冲在时间上相干。
[0010]所述激光器为工作波长在300?2100nm的连续激光器。
[0011]所述光开关为机械式、微电子机械系统式、半导体、液晶光开关的一种或者电光、声光、磁光、热光开关的一种。
[0012]所述带太赫兹辐射天线的光电转换器为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元或者带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效益的光电导单元。
[0013]所述移频环主要由连接顺序任意的光纤耦合器、光学延迟线、光放大器、移频器、滤波器和光隔离器组成，在所述第一路光或者第二路光中级联移频环以增加或减小辐射太赫兹的带宽。
[0014]所述光放大器为半导体、掺铒光纤或者拉曼光纤放大器。
[0015]所述移频器为电光或者声光移频器。
[0016]所述的滤波器为干涉型、光纤光栅型、F-P腔型带通滤波器或光纤光栅型、F-P腔型或者声光可调谐滤波器。
[0017]本发明与现有太赫兹光源相比具有以下优势:
[0018]1、全光纤化
[0019]在整个装置中，器件之间都是通过光纤连接，便于集成。
[0020]2、体积小、便携、稳定
[0021]整个装置结构简单，所用器件成熟、性能稳定、体积小。经组装后，整个装置体积小，重量轻。
[0022]3、频谱范围宽
[0023]如:移频器的移频量为200MHz，使用可调谐滤波器，滤波器的调谐范围为40nm，在移频环内循环20000次，那么辐射的太赫兹带宽为4THz。
[0024]4、频率稳定性高
[0025]本发明中移频器的移频量非常稳定，可以控制在MHz或者更小的KHz量级。那么本发明技术方案辐射的THz频率稳定度也在MHz或者更小的KHz量级。
[0026]5、价格低廉
[0027]如:激光器使用一台分布反馈式1550nm的半导体激光器，由于使用通讯波段激光器，其它器件都非常成熟。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明所提供的太赫兹发生器实施例一；
[0029]图2是本发明所提供的太赫兹发生器实施例二 ；
[0030]图3是图1的时序图；
[0031]图4是图2的时序图。
[0032]其中:第一激光器1、第一光纤耦合器2、第一光开关3、第一移频环4、第二光纤耦合器41、第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第一滤波器45、第一光隔离器46、第三光纤稱合器5、第一带太赫兹福射天线的光电转换器6 ；
[0033]第二激光器7、第二光开关8、第四光纤稱合器9、第二移频环10、第五光纤稱合器
101、第二光学延迟线102、第二光放大器103、第二移频器104、第二滤波器105、第二光隔离器106、第三移频环11、第六光纤耦合器111、第三光学延迟线112、第三光放大器113、第三移频器114、第三滤波器115、第三光隔离器116、第七光纤耦合器12、第二带太赫兹辐射天线的光电转换器13。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体实施例以及附图对本发明技术方案作详细说明:
[0035]如图1所示，本发明所提供的太赫兹发生器实施例一，包括第一激光器1、第一光纤率禹合器2、第一光开关3、第一移频环4、第三光纤稱合器5和第一带太赫兹福射天线的光电转换器6 ;第一移频环4包括第二光纤稱合器41、第一光学延迟线42、第一光放大器43、第一移频器44、第一滤波器45、第一光隔离器46。
[0036]如图3所不,第一激光器I的光频率为，光脉冲的持续时间为Tpl,脉冲间隔时间为Ttll，第一光学延迟线42延迟时间为THngl，第一移频器44的开启为Tfsml、关闭时间为TfS()ff1、移频量为△ ，第一移频器44与第一光开关3的开启时间相同。第一激光器I输出的连续光(光频率为f\)经第一光纤耦合器2分为第一路和第二路，第一路输入第一光开关3产生光脉冲,光脉冲通过第二光纤稱合器41输入第一移频环4后产生一系列在时间上等间隔0；ingl)且在频率上等间隔(Af1)增加的光脉冲，这些光脉冲通过第三光纤耦合器5与第二路光(参考光，连续光)在第一带太赫兹辐射天线的光电转换器6上混频，辐射出一系列时间上等间隔(THngl)且在频率上等间隔(Af1)增加的太赫兹脉冲。辐射太赫兹脉冲的周期为Ttll，在Ttll内，只有在第一移频器44开启时，即在Tfsml内，才有太赫兹脉冲，在第一移频器44关闭时，即在Tfstjffl内，没有太赫兹脉冲。
[0037]第一路光经过第一光开关3和第一移频环4后输出为光脉冲,第二路光为连续光，两路光在时间上一直是相干的，所以第一带太赫兹辐射天线的光电转换器6可以实现混频辐射出太赫兹脉冲。
[0038]使用脉冲光是为了保证在时间Ttll内，只有一个频率的光信号在第一移频环4内作用，避免不同频率的光信号之间的干扰，确保第一移频环4的稳定性。
[0039]第一光学延迟线42的作用是增加两个光脉冲的间隔时间，确保器件能响应光脉冲。第一光放大器43的作用是补偿光脉冲能量的损失，使光脉冲可以多次通过第一移频环
4,而能量基本保持稳定。第一滤波器45的作用是抑制第一光放大器43的噪声,增加光脉冲在移频环内的循环次数，以增加THz发射器的带宽。
[0040]选择适当的Tpl、T01, Tringl, Tfsonl, Tfsoffl 和 Af1，太赫兹波的带宽应为 Af1Tfsml/T
1ringlο
[0041]如图2所示，本发明所提供的太赫兹发生器实施例二，包括第二激光器7、第二光开关8、第四光纤耦合器9、第二移频环10、第三移频环11、第七光纤耦合器12和第二带太赫兹辐射天线的光电转换器13 ;第二移频环10包括第五光纤耦合器101、第二光学延迟线
102、第二光放大器103、第二移频器104、第二滤波器105、第二光隔离器106。第三移频环11包括第六光纤耦合器111、第三光学延迟线112、第三光放大器113、第三移频器114、第三滤波器115、第三光隔离器116。
[0042]如图4所示，第二激光器7的光频率为f2，光脉冲的持续时间为Tp2，脉冲间隔时间为Ttl2，第二、三光学延迟线延迟时间为THng2，第二、三移频器的开启为Tfsm2、关闭时间为TfsOff2、移频量分别为△ f2、_ 第二、三移频器与第二光开关的开启时间相同。第二激光器7输出的连续光(光频率为f2)经第二光开关8产生光脉冲，再经第四光纤耦合器9分为第一路和第二路,第一路光脉冲通过第五光纤稱合器101输入第二移频环10后产生一系列在时间上等间隔(THng2)且在频率上等间隔(Af2)增加的光脉冲，第二路光脉冲通过第六光纤耦合器111输入第三移频环11后产生一系列在时间上等间隔0；ing2)且在频率上等间隔(Af2)减小的光脉冲,第二路光脉冲通过第七光纤稱合器12与第一路光脉冲在第二带太赫兹辐射天线的光电转换器13上混频，辐射出一系列时间上等间隔(THng2)且在频率上等间隔(2 Af2)增加的太赫兹脉冲。辐射太赫兹脉冲的周期为Ttl2，在Ttl2内，只有在第二、三移频器开启时，即在Tfsm2内，才有太赫兹脉冲，在第二、三移频器关闭时，即在Tfst5ff2内，没有太赫兹脉冲。
[0043]第一路和第二路光脉冲光程相等或者两路光脉冲在时间上相干，所以在第二带太赫兹辐射天线的光电转换器13可以实现混频辐射出太赫兹脉冲。
[0044]使用脉冲光是为了保证在时间Ttl2内，只有一个频率的光信号在第二、三移频环内作用，避免不同频率的光信号之间的干扰，确保第二、三移频环的稳定性。
[0045]第二、三光学延迟线的作用是增加两个光脉冲的间隔时间，确保器件能响应光脉冲，并确保第一、二路光在时间上可以相干。第二、三光放大器的作用分别是补偿第一、二路光脉冲能量的损失，使光脉冲可以分别多次通过第二、三移频环，而能量基本保持稳定。第二、三滤波器的作用是分别抑制第二、三光放大器的噪声，增加光脉冲在第二、三移频环内的循环次数，以增加THz发射器的带宽。
[0046]选择适当的Tp2、TQ2、I；ing2、Tfs()n2、Tfs()ff2 和 Af2，太赫兹波的带宽为 2Af2Tfsm2/%ing2。
[0047]本发明中未详细阐述的部分属于本领域内的公知技术。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制在具体的实施范围内，对于本领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神范围之内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明的构思创造均在保护之列。
【权利要求】
1.一种太赫兹发生器，其特征在于，包括激光器、两个光纤耦合器、光开关、移频环和带太赫兹福射天线的光电转换器；激光器输出的光经一个光纤稱合器分为第一路和第二路，第一路输入光开关产生光脉冲，输入移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，这些光脉冲通过另一个光纤耦合器与第二路光在带太赫兹辐射天线的光电转换器上混频，辐射出一系列时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲。
2.一种太赫兹发生器，其特征在于，包括激光器、两个光纤耦合器、光开关、两个移频环和带太赫兹辐射天线的光电转换器；激光器输出的光经光开关产生光脉冲，再经一个光纤耦合器分为第一路和第二路，第一路光脉冲通过一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔增加的光脉冲，第二路光脉冲输入另一个移频环后产生一系列在时间上等间隔且在频率上等间隔减小的光脉冲，第二路光脉冲通过另一个光纤耦合器与第一路光脉冲在带太赫兹辐射天线的光电转换器上混频，辐射出一系列时间上等间隔且在频率上等间隔增加的太赫兹脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述第一路和第二路光脉冲光程相等或者两路光脉冲在时间上相干。
4.根据权利要求1或2所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述激光器为工作波长在300?210nm的连续激光器。
5.根据权利要求1或2所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述光开关为机械式、微电子机械系统式、半导体、液晶光开关的一种或者电光、声光、磁光、热光开关的一种。
6.根据权利要求1或2所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述带太赫兹辐射天线的光电转换器为带太赫兹辐射天线的基于外光电效应的光电管单元、带太赫兹辐射天线的基于内光电效应的光电二极管单元或者带太赫兹辐射天线的基于光变电阻效益的光电导单元。
7.根据权利要求1或2所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述移频环主要由连接顺序任意的光纤耦合器、光学延迟线、光放大器、移频器、滤波器和光隔离器组成，在所述第一路光或者第二路光中级联移频环以增加或减小辐射太赫兹的带宽。
8.根据权利要求7所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述光放大器为半导体、掺铒光纤或者拉曼光纤放大器。
9.根据权利要求7所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述移频器为电光或者声光移频器。
10.根据权利要求7所述的太赫兹发生器，其特征在于，所述的滤波器为干涉型、光纤光栅型、F-P腔型带通滤波器或光纤光栅型、F-P腔型或者声光可调谐滤波器。
【文档编号】H01S1/02GK104332804SQ201410550279
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】俞旭辉, 邹锶, 潘鸣, 侯丽伟, 谢巍, 臧元章, 周德亮, 王晓东, 王兵兵, 刘素芳, 关冉, 鲁斌, 汪瑞 申请人:中国电子科技集团公司第五十研究所