CN100410637C - 利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的方法和装置，其装置包括超短脉冲光，在该超短脉冲光的前进方向有第一分束片和光栅对，所述的超短脉冲光经光栅对展宽为一线性啁啾脉冲光，在该啁啾脉冲光经第一分束片的反射光方向依次为起偏器和第二分束片，一待测的高速光脉冲序列从第二分束片的另一方向透射，在该待测的高速光脉冲序列的前进方向依次为第二分束片、非线性晶体、第三分束片、检偏器和第一CCD光谱仪，在第三分束片的反射方向经一反射镜进入第二CCD光谱仪。本发明是利用宽频谱的啁啾脉冲光作为探针，利用非线性晶体的光克尔效应将时域信号转化为频域信号进行实时的皮秒量级的时间测量。本发明具有结构简单，调节方便的特点。

Description

利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的方法和装置

技术领域

本发明是一种新型的高频率光脉冲序列测量，特别是一种利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的方法和装置，详细地说，是利用宽频谱的啁啾脉冲激光作为探针，采用偏振方向旋转检测的方法能够对高达太赫兹(Terahertz，以下简称THz)频率的光脉冲序列实现实时采样。

背景技术

随着网络及通信服务的不断发展，可视电话，高清电视等即时通信流量越来越大，动辄需要上GB的数据，对信号传输速度的要求与日俱增。[1J.McKinney，A.Weiner，D.Seo Ultrafast Electronics and Optoelectronics TOPS Volume 82WB3-1]高速光信号采样的重要性及要求不断提高。而目前城市节点之间的数据带宽约有数百GB，很快就将落后于实际需求。解决两地之间信号传输速度的方法主要有增加光纤对数，波分复用等，但是对于单信道可容纳的信息密度仍没有充分利用，其中一个原因就是光信号检测方法发展缓慢，检测速度没有显著提高。目前比较成熟的光电转换速度每单信道大约10Gbit/s[2赵梓森，2005光纤通信新进展，光通信研究，2005.5]，远远小于每信道可以传输的信息容量。

发明内容

为了能够对高速光脉冲序列进行实时采样，本发明提供一种利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的方法和装置，以解决对太赫兹脉冲进行高时间分辨的实时测量。

本发明的基本思想是：将波分复用技术拓展到检测阶段的高速光脉冲的检测。由于超短脉冲激光本身有很宽的频谱，通过啁啾技术可以将不同的频率成分在时域进行调制，获得一很好的线性啁啾脉冲，使激光的时域信息能够在频域得到体现。利用超短脉冲光具有宽频谱这一特点，采用频谱干涉或是调制的方法，对THz脉冲进行高时间分辨的实时测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的装置，包括超短脉冲光，在该超短脉冲光的前进方向有第一分束片和光栅对，所述的超短脉冲光经光栅对展宽为一线性啁啾脉冲光，在该啁啾脉冲光经第一分束片的反射光方向依次为起偏器和第二分束片，一待测的高速光脉冲序列从第二分束片另一方向透射，在该待测的高速光脉冲序列的前进方向依次为第二分束片、非线性晶体、第三分束片、检偏器和第一CCD光谱仪，在第三分束片的反射方向经一反射镜进入第二CCD光谱仪。

利用权所述的装置进行太赫兹脉冲序列测量的方法，特征是包括下列过程：

①一束超短脉冲激光经过光栅对后展宽为一线性啁啾脉冲光，作为啁啾探测光；

②将啁啾探测光经第二分束片入射非线性晶体之中，调整所述的啁啾探测光本身的强度，使非线性晶体的折射率刚好可以使啁啾探测光的偏振方向与检偏器的偏振方向一致；

③当一高速光脉冲序列同时与所述的啁啾探测光经第二分束片进入非线性晶体时，再调整光脉冲强度，使出射光的偏振角度旋转90°而与检偏器的偏振方向垂直；

④利用第三分束片将出射光分为强度相等的两束光，其中一束通过检偏器，滤去高速光脉冲序列导致的偏振分量，进入第一CCD光谱仪进行测量，得到与检偏器的偏振方向平行的振动强度；另外一束光经反射镜直接进入第二CCD光谱仪进行测量，得到与偏振无关的光谱分布，亦即时间强度分布；

⑤将第一CCD光谱仪和第二CCD光谱仪得到的结果进行比较，即可得到待测的高速光脉冲序列导致的偏振变化，由于测量量N(ω)与输入量E_THz(t)成正比，可从N(ω)反演出E_THz(t)，从而得到E_THz(t)所携带的信息，即反演出高速光脉冲序列的信息。

本发明的原理可以通过下面的描述来理解。

图2所示是被探测的高速光脉冲信号光传播的示意图。

探测激光波形可以认为是在时间和空间上都是高斯分布，如图3所示，在时域探测光被展宽为一线性啁啾脉冲(例如从-50飞秒(femtosecond，以下简称fs)的超短脉冲展宽到300ps)。光场振幅可以写为：

$E_p\left(t\right)=\exp (-\frac{t^2}{T_p^2}-{\mathrm{j\αt}}^2-j{\mathrm{\ω}}_{0}t)$

其中：2α为探测光的啁啾系数，ω₀为探测光的中心频率，T_p与探测光的脉宽有关。

假设入射的待测的高速光脉冲信号——THz脉冲序列为：

$E_{\mathrm{THz}}\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-2\sqrt{2}\mathrm{n\ΔT})}^2}{{\mathrm{\ΔT}}^2})$

这里的特征时间

为脉冲全高半宽，为脉冲序列中相邻两个脉冲之间的间隔时间，该脉冲序列是由一系列在时间上有延迟的脉冲组成的。经过非线性晶体7之后光场在垂直方向振幅可以写为：

E_trans(t)＝E_p(t)[1-kE_THz(t-τ)]

其中τ为待测的脉冲序列与探测光之间的时间延迟。THz脉冲序列信号中单个脉冲的时间宽度远小于探测脉冲的宽度，如几个皮秒。k为非线性调制系数，它的大小与THz脉冲序列信号对探测光的调制深度有关，取决于许多因素，例如电光系数、光偏压、散射、晶体厚度以及群速匹配等。通过适当调节，可以得到一个合适的调制系数，但是其具体值不影响最后所得到的结果。

光谱仪测量得到的光谱强度信号为经过光谱仪响应函数调制之后的光谱强度：

$M\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}g(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_1)\×{\left|\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{E}_{\mathrm{trans}}\left(t\right)\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{1}t\right)\mathrm{dt}\right|}^2{\mathrm{d\ω}}_1$

(1)

$=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}g(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_1)\×{|\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}exp(-\frac{t^2}{T_p^2}-{\mathrm{j\αt}}^2-j{\mathrm{\ω}}_{0}t)[1-k{E}_{\mathrm{THz}}(t-\mathrm{\τ})]exp\left(j{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\mathrm{dt}|}^{2}d{\mathrm{\ω}}_1$

由于探测光与信号光的脉冲宽度远大于光波的振荡周期，所以相位因子j(αt²-ω₀t)可以认为是快变化而在积分过程中振荡消除。仅顶点处对积分有贡献，亦即 $t_{\mathrm{\ω}}=\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{2\mathrm{\α}}$ 时，积分不为零。得到：

$M\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}g(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_1)\×\exp (-\frac{{2t}_{\mathrm{\ω}}^2}{T_p^2})[1-{\mathrm{kE}}_{\mathrm{THz}}(t_{\mathrm{\ω}}-\mathrm{\τ}){]}^{2}d{\mathrm{\ω}}_1$

其中g(ω-ω₁)为光谱仪响应函数。则有和无THz光脉冲序列所得的光谱强度之差归一化为：

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{M\left(\mathrm{\ω}\right){|}_{\mathrm{THz}\_\mathrm{OFF}}-M\left(\mathrm{\ω}\right){|}_{\mathrm{THz}\_\mathrm{ON}}}{{M\left(\mathrm{\ω}\right)|}_{\mathrm{THz}\_\mathrm{OFF}}}---\left(2\right)$

选择光谱分辨率远小于

(一般为大于0.1nm量级)的光谱仪，则g(ω-ω₁)可以认为是一δ函数(现在光谱仪分辨率一般均小于0.05nm，完全可以满足要求)。同时，如果选取的啁啾脉冲的啁啾系数2α足够大，且κ＜＜1时，通过计算，上式可以近似简化为：

N(ω)∝2kE_THz(t_ω-τ)

此时测量量N(ω)与输入量E_THz(t)成正比。如此可从N(ω)反演出E_THz(t)，从而得到E_THz(t)所携带的信息。

下面分析该方法可达到的信号分辨速度。

于是光谱仪测得的强度之差随频率的变化可以简化为：

$N\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0-2\mathrm{\α}(\mathrm{\τ}-2\sqrt{2}\mathrm{n\ΔT}))}^2}{{2\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\ΔT}}^2})$

从而反演出强度随时间的变化，为：

$N\left(t\right)\∝\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-\mathrm{\τ}-2\sqrt{2}\mathrm{n\ΔT})}^2}{\frac{2}{{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\ΔT}}^2}})$

由此可以看出N(t)的形式与E_THz(t)类似，但是间隔时间由ΔT变为

。当啁啾脉冲激光的啁啾系数α增加的时候，波形失真也会减少，这也意味着脉冲检测分辨率的提高。若以最后反演所得信号被展宽到原信号宽度的

倍时，原信号宽度为系统分辨率时，则有 $\frac{2}{{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\ΔT}}^4}=2$ ，得到 ${\mathrm{\ΔT}}_{\min }=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\α}}}$ ，即该方法对信号的时间分辨率为。对于由50fs无啁啾激光脉冲展宽得到300ps啁啾激光脉冲，其最小分辨率约为3.87ps。如果由10fs无啁啾激光脉冲展宽得到100ps啁啾激光脉冲，则最小分辨率可达到1ps。

本发明的特点是：

1、采用本发明的方法对高速信息序列检测，可以大大提高高速光信号的度。由于是单次识别，所以可以进行高速连续采样，采样频率高达THz。

2、本方法使用的是光谱测量法，在光谱仪端可以进行多通道同步测量，可以利用已有的低速采样设备，有效利用已有资源技术。

3、本方法第一次把波分复用方式从传输过程拓展到检测过程。

4、啁啾测量法对信号光的波长不敏感，可以结合已有的波分复用技术，拓宽光波导频段。进一步提高信号的传输与检测。

附图说明

图1为本发明啁啾脉冲THz脉冲序列测量设置结构示意图。

图2.为初始高速脉冲序列的波形图

图3为初始啁啾探测脉冲的波形图

图4.为调制后的啁啾探测脉冲的波形图

图5为反演得到高速脉冲序列的波形图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明啁啾脉冲THz脉冲序列测量设置结构示意图。由图可见，本发明利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的装置，包括超短脉冲光1，在该超短脉冲光1的前进方向有第一分束片2和光栅对3，所述的超短脉冲光1经光栅对3展宽为一线性啁啾脉冲光，在该啁啾脉冲光经第一分束片2的反射光方向依次为起偏器4和第二分束片6，一待测的高速光脉冲序列5从第二分束片6另一方向透射，在该待测的高速光脉冲序列5的前进方向依次为第二分束片6、非线性晶体7、第三分束片8、检偏器10和第一CCD光谱仪11，在第三分束片8的反射方向经一反射镜9进入第二CCD光谱仪12。

利用所述的装置进行太赫兹脉冲序列测量的方法，包括下列过程：

①一束超短脉冲激光1经过光栅对3后展宽为一线性啁啾激光束，作为啁啾探测光；

②将啁啾探测光经第二分束片6入射非线性晶体7之中，调整所述的啁啾探测光本身的强度，使非线性晶体7的折射率刚好可以使该啁啾探测光偏振方向与检偏器10的偏振方向一致；

③当一高速光脉冲序列5与所述的啁啾探测光同时经第二分束片6进入非线性晶体7时，再调整光脉冲强度，使出射光的偏振角度旋转90°而与检偏器10偏振方向垂直；

④利用第三分束片8将出射光分为强度相等的两束光，其中一束通过检偏器10，滤去高速光脉冲序列5导致的偏振分量，进入第一CCD光谱仪11进行测量，得到与检偏器10的偏振方向平行的振动强度；另外一束光经反射镜9直接进入第二CCD光谱仪12进行测量，得到与偏振无关的光谱分布，亦即时间强度分布；

⑤将第一CCD光谱仪11和第二CCD光谱仪12分别得到的测量结果进行比较，即可得到待测的高速光脉冲序列5的信息E_THz(t)的加入而导致的偏振变化，由于测量量N(ω)与输入量E_THz(t)成正比，可从N(ω)反演出E_THz(t)，从而得到E_THz(t)所携带的信息，即反演出高速光脉冲序列5的信息。

一束线偏振超短脉冲激光1经过光栅对3后展宽为脉宽为数百皮秒(Picosecond，以下简称ps)的线性啁啾激光束，作为啁啾探测光。

将啁啾探测光与高速光脉冲序列同时入射非线性晶体7之中，由于晶体的非线性效应(例如光克尔效应)导致非线性晶体7的折射率与光强有关，所以入射光强度不同时，晶体折射率也不同，进而探测光偏振方向的偏转角也不同。

当无待测的高速光脉冲序列入射时，调整探测光本身强度，使折射率刚好可以使探测光偏振方向与检偏器10的偏振方向一致。而当有高速光脉冲序列同时入射的时候，调整光脉冲强度使得出射光偏振角度旋转90°而与检偏器10的偏振方向垂直。这样出射光就在不同时刻包含两个方向上的偏振。为达到这一目的可以有许多种调试方法，其中之一选择介绍如下：将线偏振片放置在出射光路上，检测其出射的透射光，改变探测光或者光脉冲的强度，分别使得其透射光相对于晶体出射光比例为最小即可。

利用第三分束片8将出射光分为强度相等的两束光，其中一束通过检偏器10，滤去光脉冲序列导致的偏振分量，进入第一CCD光谱仪11进行测量，得到其与起偏器10的偏振方向上的振动强度；另外一束直接进入第二CCD光谱仪12进行测量，得到与偏振无关的光谱分布，亦即时间强度分布。将第一CCD光谱仪11、第二CCD光谱仪12分别得到的结果进行比较，即可得到光脉冲序列信号导致的偏振变化，反演出被测的光脉冲序列5。

本发明用于高时间分辨(ps量级)测量高速光脉冲状态。下面举一实施例来说明：

一束高速光脉冲序列(图2)入射至非线性晶体7——光克尔盒内，其振动方程为

$E_{\mathrm{THz}}\left(t\right)=\underset{n=1,\mathrm{3,4}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-2\sqrt{2}n\×4)}^2}{4^2})$

其携带的信息为(1，0，1，1)，脉冲宽度为8ps，相邻两脉冲序列间隔为

另外一束由中心波长为800nm，脉宽50fs展宽为300ps的线性啁啾激光(图3)同时射入，其与脉冲序列的延迟为-20ps。其方程为

$E_p\left(t\right)=\exp (-\frac{t^2}{{300}^2}-j\frac{1}{15}{t}^2-j375t)$

光克尔盒的调制系数k＝0.03，则耦合后的啁啾光脉冲(图4)方程为：

$E_p\left(t\right)=\exp (-\frac{t^2}{{100}^2}-j\frac{1}{15}{t}^2-j375t)(1+0.03\underset{n=\mathrm{1,3,4}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-20-2\sqrt{2}n)}^2}{4^2}))$

则有THz光脉冲序列和无THz光脉冲序列所得的光谱强度之差为；

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=0.0009\underset{n=\mathrm{1,3,4}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(\mathrm{\ω}-375-\frac{40-4\sqrt{2}n}{15})}^2}{\frac{32}{225}})$

反演得到：

$N\left(t\right)=0.0009\underset{n=\mathrm{1,3,4}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-20-2\sqrt{2}n)}^2}{\frac{225}{8}})$

从波形(图5)上可看出是三个可分辨的脉冲，即可得到原脉冲序列5所携带信息(1，0，1，1)。这就是本发明测量方法的实质。

利用本发明可以检测太赫兹脉冲序列的信号，结合波分复用传输，可实现数十Tb/s的信号传输，本发明对现有设备改造后可以加以利用，更可以节约资金，本发明具有结构简单，调节方便的特点。

Claims (2)

1. 一种利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹脉冲序列的装置，其特征是在超短脉冲光(1)的前进方向有第一分束片(2)和光栅对(3)，所述的超短脉冲光(1)经光栅对(3)展宽为一线性啁啾脉冲光，在该啁啾脉冲光经第一分束片(2)的反射光方向依次为起偏器(4)和第二分束片(6)，一待测的高速光脉冲序列(5)从第二分束片(6)另一方向透射，在该待测的高速光脉冲序列(5)的前进方向依次为第二分束片(6)、非线性晶体(7)、第三分束片(8)、检偏器(10)和第一CCD光谱仪(11)，第三分束片(8)的反射光经一反射镜(9)进入第二CCD光谱仪(12)。

2. 利用权利要求1所述的装置进行太赫兹脉冲序列测量的方法，特征是包括下列过程：①一束超短脉冲光(1)经过光栅对(3)后展宽为一线性啁啾脉冲光，作为啁啾探测光；

②将该啁啾探测光经第二分束片(6)入射非线性晶体(7)之中，调整所述的啁啾探测光本身的强度，使非线性晶体(7)的折射率刚好可以使啁啾探测光偏振方向与检偏器(10)的偏振方向一致；

③当一高速光脉冲序列(5)同时与所述的啁啾探测光经第二分束片(6)进入所述的非线性晶体(7)时，再调整啁啾探测光脉冲强度，使出射光的偏振角度旋转90°而与检偏器(10)偏振方向垂直；

④利用第三分束片(8)将出射光分为强度相等的两束光，其中一束通过检偏器(10)，滤去高速光脉冲序列(5)导致的偏振分量，进入第一CCD光谱仪(11)进行测量，得到与检偏器(10)的偏振方向平行的振动强度；另外一束光经反射镜(9)直接进入第二CCD光谱仪(12)进行测量，得到与偏振无关的光谱分布，亦即时间强度分布；

⑤将第一CCD光谱仪(11)和第二CCD光谱仪(12)得到的测量结果进行比较，即可得到待测的高速光脉冲序列(5)的输入量E_THz(t)而导致的偏振变化，由于测量量N(ω)与输入量E_THz(t)成正比，可从N(ω)反演出E_THz(t)，从而得到高速光脉冲序列(5)的信息。

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