专利名称：基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置及方法
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. l-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R0F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(0SA)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。 本发明的工作原理是所述基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置采用一个
微波信号驱动强度调制器，其中马赫-曾德尔强度调制器(Mach-ZehnderModulator)作为
优选器件，它能通过电信号的变化转变为光信号的变化，实现光信号的调制。本发明首先利 用单模激光器产生连续的光信号，其和电倍频器后倍频输出的高频的微波频率信号一并输
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
—个微波源信号EKF (t) = VKFcoS (" KFt+ e )驱动MZM，将微波信号调制在光载波E。 =Acos("。t)上，则输出的光信号可表示为
了
COS
+ -
;r cos(cy,/) + cos
+ cos ( J + (9)
(0) 其中，VKF为微波信号的幅度，Vn为MZM的半波电压，Vd。为直流偏置电压，
微波源频率，"。为光载波频率，e为微波信号的相位。 将(1)式置e = ji ，Vd。 = -L，通过Bessel展开，得到载波抑制的("c_(
("。+"KF)两个一阶边带，近似表示为
RF为 P)和 其中义=兀'
表示为MZM的调制深度c 将上述载波抑制调制产生的('
F)和('
F)两个一阶边带的光信号经光纤放大器进行放大，然后接入半导体光放大器(S0A)或高非线性光纤(HNL-DSF)等非线性
器件，经过四波混频效应，在信号光的两侧产生频率分别为("。_3"KF)和("。+3"KF)相干
的新边带，其频率差六倍于微波驱动信号频率wKF。采用光滤波器进行滤波，只保留两个新
边带。接着输入到光电探测器，可以得到的电信号为，
<formula>formula see original document page 5</formula> (3) 其中，R表示为光电探测器转换效率，"2分别表示为输入到光电探测器两个光波的频率，小p c^分别表示为输入到光电探测器两个光波的相位，Pp&分别表示为输入到光电探测器两个光波的光功率。 由于("C_3"KF)和("C+3"KF)的两个新边带是相干的光波，艮卩小「小2为常量，其频率差为"^的六倍，因而通过光电探测器产生六倍频的电太赫兹信号，最后通过天线将太赫兹波发射出去。 本发明所述基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置及方法中，产生太赫兹波时，使用了光载波抑制产生的光信号作为泵浦光，该泵浦光在相位上具有相关性，使得在非线性器件中进行四波混频效应后，能产生偏振不敏感的转换波长，具有高效的四波混频转换波长范围、偏振不敏感、低损耗和高稳定性等优点。与以往产生太赫兹波方式相比，四波混频效应(F丽)可以提高光倍频频率，降低器件的带宽要求，降低了太赫兹产生装置的成本。该方案结构简单紧凑，有利于实用，并且还可以通过调节射频信号的频率实现可调谐的太赫兹波的产生。
图1为实施例中基于光学四波混频效应产生太赫兹波装置的原理示意 在附图中 1-单模激光器2-微波信号源 3-电倍频器
4-强度调制器5-光纤放大器 6-非线性器件
7-光滤波器 8-光电探测器(PD)9-天线 10-太赫兹波
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作具体说明。 由图1所示，基于光学四波混频效应产生太赫兹波装置包括单模激光器1、电倍频器、强度调制器4、光纤放大器5、非线性器件6、光滤波器7和光电探测器8，所述电倍频器3的输入端输入有微波信号源2输出的射频信号，电倍频器3的输出端输出微波驱动信号，其与单模激光器1输出的连续光信号一并作为强度调制器4的输入信号，所述强度调制器4输出含有两个一阶边带的光信号，再依次经光纤放大器5放大后，接入非线性器件6，输出包含有两个一阶边带和两个新边带的光信号，再经光滤波器7后，输出含两个新边带的光信号作为光电探测器8的输入信号，所述光电探测器8的输出信号最后接入天线9，最后输出太赫兹波10。 上述各个模块的具体说明如下所述 单模激光器l，用于产生指定波长的单纵模光载波；
射频信号2，用于产生可调谐频率的微波源信号； 电倍频器3，用于将微波源信号电倍频到高频的微波信号； 强度调制器4，用于对指定波长的单纵模光载波进行载波抑制调制，本实施例采用具有高速、高消光比、低插入损耗及制作简单等优势的马赫-曾德尔强度调制器(MZM);
光纤放大器5，对一阶边带光信号的进行功率放大； 非线性器件6，用于对一阶边带信号进行四波混频效应，本实施例采用半导体光放大器(0SA)或非线性光纤(HNL-DSF); 光滤波器7，用于滤出一阶边带，保留转换波长后的两个新边带信号； 光电探测器8，用于对转换后波长的光信号的进行拍频产生太赫兹电信号，本实施
例中光电探测器采用光电二极管； 天线9，将太赫兹电信号以太赫兹波形式发射出去。 基于上述基于光学四波混频效应产生太赫兹波装置，本实施例采用的基于光学四波混频效应的太赫兹波产生方法的具体工作过程如下 利用单模激光器1产生一个连续的光载波， 一个微波源信号2经一个电倍频器3进行电倍频，产生一个高频的微波驱动信号，再将该信号加载到强度调制器4，通过调节强度调制器4的偏置电压来产生光载波抑制的信号，产生的两个一阶边带之间为倍频后的驱动信号的两倍，使之作为四波混频效应的泵浦光，采用光纤放大器5对一阶边带光信号进行功率放大，然后进入非线性器件6进行四波混频效应，产生新的混频边带，频差为驱动信号的六倍，再用一个可光滤波器7滤除两个一阶边带，将混频边带经光电探测器8进行拍频产生太赫兹电信号，最后通过天线9将太赫兹电信号以太赫兹波形式发射出去。
在基于光学四波混频效应产生太赫兹波的装置中，由电倍频后的微波信号和单模激光器1驱动的强度调制器4，只要合理设置好两端的电压和偏置电流就可以实现光载波抑制的两个一阶边带，而且这两个边带的相位有很好的相干性，通过四波混频效应，产生偏振不敏感的转换波长。由于非线性器件6较宽的频率转换范围，能产生六倍甚至更高的信号频率，相对于其他外部调制方案产生太赫兹波，其对微波调制信号频率和调制器带宽要求较低，并能产生功率稳定的太赫兹波，而且整个系统具有结构简单和可移植性好的特点，这样更具有实用价值。总之，本发明的优点是将外部调制技术技术和四波混频效应融合到太赫兹波源产生，具有很广的应用领域，结构简单，性能稳定，器件带宽要求低。
本发明所指范围并不局限于上述实施例所述具体器件，凡是采用了与上述器件技术效果一致的其他相似器件构成的基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置，均应在本发明保护范围之内。
权利要求
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，其特征在于，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。
2. 根据权利要求1所述基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置，其特征在于，所 述强度调制器采用马赫_曾德尔强度调制器。
3. 根据权利要求1所述基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置，其特征在于，所 述非线性器件采用半导体光放大器或者高非线性光纤。
4. 一种基于光学四波混频效应的太赫兹波产生方法，其特征在于，包括如下步骤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。
全文摘要
本发明公开了一种属于微波光子学技术领域中基于光学四波混频效应的太赫兹波产生装置及方法。本发明利用外部强度调制器的光载波抑制调制和非线性器件中的四波混频效应，将微波源信号经过电倍频后驱动强度调制器，形成只有两个一阶边带的载波抑制信号，再经过非线性器件形成两个新边带，接着由光滤波器滤除原有的一阶边带，只保留两个新边带，在光电检测器(PD)中对两个新边带拍频，能够产生六倍频的太赫兹波频率。本发明降低了微波调制信号频率和调制器带宽要求，减少了系统的成本，其产生装置结构简单，移植性好，产生的太赫兹波具有很高的稳定性。
文档编号H04B10/12GK101794953SQ201010104370
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者文双春, 李瑛 , 范滇元, 郑之伟 申请人:湖南大学