CN101013052A - 利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法和装置，主要是利用光参量放大过程中泵浦光与信号光的能量交换，使信号光与探测光进行耦合，由于光参量放大过程是二阶非线性效应，所以对信号光的能量要求将大大降低。本发明与在先技术相比，结构简单，调节方便，容易实现。极大的提高了信号检测速度并降低对信号强度的要求。一次性即可测量出高达THz速率的微弱脉冲序列。

Description

利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法和装置

技术领域

本发明涉及高频率低强度光信号脉冲序列的测量，特别是一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法和装置，它是利用宽频谱的啁啾脉冲激光作为探针，采用光谱检测的方法对高频(太赫兹，Terahertz，以下简称THz)号脉冲序列的测量方法和装置。

背景技术

随着网络及通信技术的不断发展，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，对信号传输速度的需求与日俱增。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。提高两地之间信号传输速度的方法主要有增加光纤对数和波分复用等。由于频率带宽限制，从80年代开始重新兴起时分复用技术。

鉴于目前的波分复用局限于传输阶段，我们曾提出一种将波分复用拓展到检测阶段的光速光脉冲检测技术[杨明刘建胜的“利用啁啾脉冲频谱测量太赫兹(简称为THz)脉冲序列的方法”专利申请号：200610026731.9]。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。利用超短脉冲具有宽频谱这一特点，采用频谱干涉或是调制的方法，可以对THz脉冲进行高时间分辨的实时测量。在该方法中，我们利用晶体的光克尔效应或者泡克耳斯效应将信号光与探测光进行耦合，由于这些都是三阶非线性效应，对信号光的能量要求较高。

发明内容

为了改进对高频信号脉冲序列进行实时采样方法，我们提出一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法和装置，以大大降低对高频信号脉冲的能量要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置，其构成包括：第一分束片、光栅对、第二分束片、反射镜、非线性晶体、第一光谱仪、第二光谱仪，其位置关系如下：在超短脉冲激光的光路上设有第一分束片和光栅对，由光栅对返回的啁啾脉冲光经所述的第一分束片反射的光路上设置第二分束片，返回的啁啾脉冲光被第二分束片分为反射和透射两束啁啾脉冲光，在该第二分束片反射的啁啾脉冲光方向是第一光谱仪，在待测高频信号脉冲序列的输入方向有一非线性晶体，所述的第二分束片透射的啁啾脉冲光经所述的反射镜的反射后，在所述的非线性晶体内与所述的待测高频信号脉冲序列相互作用后进入第二光谱仪。

所述的第一分束片是对所述的超短脉冲激光高透，而对所述的啁啾脉冲光高反射的分束片。

所述的第二分束片是对所述的啁啾脉冲光半透半反的分束片。

所述的非线性晶体为BBO晶体。

一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法，其特征在于包括下列步骤：

①一束超短脉冲激光经过光栅对展宽为脉宽为数百皮秒的线性啁啾激光束，作为探测光，利用第二分束片的反射光束提取一部分能量，输入第一光谱仪测量其光谱作为参考；

②将从第二分束片透射的啁啾探测光与待测的高频信号脉冲序列同时射入非线性晶体中，由于参量放大效应，能量在入射的啁啾探测光，高频信号脉冲序列以及在此过程中产生的闲频光中交换，在有高频信号脉冲的地方啁啾光有能量损失，在无高频信号脉冲的位置啁啾光基本无损透射；

③从非线性晶体透射的啁啾探测光入射到第二光谱仪进行测量，得到光参量放大后的啁啾探测光光谱；

④将第一光谱仪和第二光谱仪分别得到的结果进行比较，即可得到高频信号脉冲导致的啁啾探测光的能量变化，反演出被测的高频信号脉冲序列。

简单地说，本发明主要是利用光参量放大(Optical Parameter Amplify，以下简称OPA)过程中泵浦光与信号光的能量交换，使信号光与探测光进行耦合，由于OPA过程是二阶非线性效应，所以对信号光的能量要求将大大降低。

本发明的特点是：

1、采用啁啾脉冲THz序列检测技术可以大大提高高频光信号的识别速度。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、本发明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、本发明第一次把波分复用方式从传输过程拓展到检测过程。

4、本发明由于采用OPA技术，对信号光能量要求低，可以用于测量非常微弱的信号。

5、本发明结构简单，调节方便，容易实现。极大的提高了信号检测速度并降低对信号强度的要求。一次性即可测量出高达THz速率的微弱脉冲序列。

附图说明

图1是本发明利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置示意图。

图2.为待测的初始高速脉冲序列波形图

图3为初始啁啾探测脉冲图

图4为调制后的啁啾探测脉冲(为使调制效果明显，图中k为0.3)

图5为经反演得到的高速脉冲序列波形

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置示意图。由图可见，本发明利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置，其构成包括：第一分束片2、光栅对3、第二分束片4、反射镜6、非线性晶体7、第一光谱仪8、第二光谱仪9，其位置关系如下：在超短脉冲激光1的光路上设有第一分束片2和光栅对3，由光栅对3返回的啁啾脉冲光经所述的第一分束片2反射的光路上设置第二分束片4，返回的啁啾脉冲光被第二分束片4分为反射和透射两束啁啾脉冲光，在该第二分束片4反射的啁啾脉冲光方向是第一光谱仪8，在待测高频信号脉冲序列5的输入方向有一非线性晶体7，所述的第二分束片4透射的啁啾脉冲光经所述的反射镜6的反射后，在所述的非线性晶体7内与所述的待测高频信号脉冲序列5相互作用后进入第二光谱仪9。

所述的第一分束片2是对所述的超短脉冲激光1高透，而对所述的啁啾脉冲光高反射的分束片。

所述的第二分束片4是对所述的啁啾脉冲光半透半反的分束片。

所述的非线性晶体7为BBO晶体。

一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法，其特征在于包括下列步骤：

①一束超短脉冲激光1经过光栅对3展宽为脉宽为数百皮秒的线性啁啾激光束，作为探测光，利用第二分束片4的反射光束提取一部分能量，输入第一光谱仪8测量其光谱作为参考；

②将从第二分束片4透射的啁啾探测光与待测的高频信号脉冲序列5同时射入非线性晶体7中，由于参量放大效应，能量在入射的啁啾探测光，高频信号脉冲序列5以及在此过程中产生的闲频光中交换，在有高频信号脉冲的地方啁啾光有能量损失，在无高频信号脉冲的位置啁啾光基本无损透射；

③从非线性晶体7透射的啁啾探测光入射到第二光谱仪9进行测量，得到光参量放大后的啁啾探测光光谱；

④将第一光谱仪8和第二光谱仪9分别得到的结果进行比较，即可得到高频信号脉冲导致的啁啾探测光的能量变化，反演出被测的高频信号脉冲序列。

下面对本发明的实质即强度重构的解析方法加以描述。

如图2所示是探测光传播的示意图。探测激光波形可以认为是在时间和空间上都是高斯分布的，在时域探测光被展宽为一线性啁啾脉冲，例如从一50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：

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

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

假设入射THz的信号光脉冲序列，简称为高频信号光为：

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

这里的特征时间

为脉冲全高半宽，2ΔT为信号脉冲序列中相邻两个脉冲之间的时间间隔，该信号脉冲序列由一系列在时间上有延迟的脉冲组成。

根据入射信号光的能量选择适当的非线性晶体7的长度和探测光能量，使得探测光与信号光的能量转移将与信号光和探测光的能量成正比，经过非线性晶体7之后，探测光场的振幅可以写为：

E_trans(t)＝E_p(t)[1-kE_THz(t-τ)]

其中：τ为信号光与探测光之间的时间延迟。信号光中单个脉冲的时间宽度远小于探测光脉冲的宽度，如几个皮秒。k为非线性晶体的非线性调制系数，它的大小与信号光对探测光的调制深度有关，取决于许多因素，例如信号光与探测光初始强度、调制长度以及群速匹配等。通过适当调节，可以得到一个合适的调制系数。

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：

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

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

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：

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

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2αΔT(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k＜1，通过计算上式可以近似简化为

N(ω)∝2kE_THz(t_ω-τ)

此时d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：

$N\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0-2\mathrm{\α}(\mathrm{\τ}-2\sqrt{2}\mathrm{n\ΔT}))}^2}{4\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^4{T}_p^2+\mathrm{\Δ}{T}^2}{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^6{T}_p^2+T_p^2\mathrm{\Δ}{T}^2+\mathrm{\Δ}{T}^4}})$

从而反演出强度随时间的变化，为：

$N\left(t\right)\∝\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-2\mathrm{n\ΔT})}^2}{\mathrm{\Δ}{T}^2(1+\frac{T_p^2}{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^4{T}_p^2+\mathrm{\Δ}{T}^2})})$

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 $\mathrm{\ΔT}\sqrt{1+\frac{T_p^2}{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^4{T}_p^2+\mathrm{\Δ}{T}^2}}.$ 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在无信号处的最大光强不超过有信号处的最小光强为最小分辨阈值，则有 $\mathrm{\ΔT}\≥\sqrt{0.72/\mathrm{\α}},$ 即该方法对信号的时间分辨率为 $\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{res}}=\sqrt{0.72/\mathrm{\α}}.$ 对于由10fs无啁啾激光脉冲展宽得到100ps啁啾激光脉冲，其最小分辨率约为0.84ps。

具体实施例：

一束高频信号脉冲序列(如图2所示)入射至晶体内，其振动方程为

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

其携带的信息为(1，0，1，1)，脉冲半高全宽为

相邻两脉冲序列间隔为2ps。另外一束由中心波长为800nm，脉宽10fs展宽为100ps的线性啁啾激光(图3)同时射入，其与脉冲序列的延迟为0。其方程为

$E_p\left(t\right)=\exp (-\frac{t^2}{{100}^2}-j{t}^2-j375t)$

假设OPA过程的调制系数k＝0.03，则耦合后的啁啾光脉冲(图4)方程为：

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

则有无THz光脉冲序列所得的光谱强度之差为；

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=0.0009\underset{n=\mathrm{1,3,4}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(\mathrm{\ω}-375-2n)}^2}{4\frac{{100}^2+1}{{100}^2+1+{100}^2}})$

反演得到： $N\left(t\right)=0.0009\underset{n=\mathrm{1,3,4}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{{(t-2n)}^2}{2})$

从波形(图5)上可看出分别在2，4，6，8ps的位置处，这些位置处的强度相对于单个脉冲的强度的一半来说分别有超过与低于的关系，即可得到原脉冲序列携带信息为(1，0，1，1)。

Claims (5)

1、一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置，特征在于其构成包括：第一分束片(2)、光栅对(3)、第二分束片(4)、反射镜(6)、非线性晶体(7)、第一光谱仪(8)、第二光谱仪(9)，其位置关系如下：在超短脉冲激光(1)的光路上设有第一分束片(2)和光栅对(3)，由光栅对(3)返回的啁啾脉冲光经所述的第一分束片(2)反射的光路上设置第二分束片(4)，返回的啁啾脉冲光被第二分束片(4)分为反射和透射两束啁啾脉冲光，在该第二分束片(4)反射的啁啾脉冲光方向是第一光谱仪(8)，在待测高频信号脉冲序列(5)的输入方向有一非线性晶体(7)，所述的第二分束片(4)透射的啁啾脉冲光经所述的反射镜(6)的反射后，在所述的非线性晶体(7)内与所述的待测高频信号脉冲序列(5)相互作用后进入第二光谱仪(9)。

2、根据权利要求1所述的利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置，其特征在于所述的第一分束片(2)是对所述的超短脉冲激光(1)高透，而对所述的啁啾脉冲光高反射的分束片。

3、根据权利要求1所述的利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置，其特征在于所述的第二分束片(4)是对所述的啁啾脉冲光半透半反的分束片。

4、根据权利要求1所述的利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的装置，其特征在于所述的非线性晶体(7)为BBO晶体。

5、一种利用啁啾脉冲测量高频信号脉冲序列的方法，其特征在于包括下列步骤：

①一束超短脉冲激光(1)经过光栅对(3)展宽为脉宽为数百皮秒的线性啁啾激光束，作为探测光，利用第二分束片(4)的反射光束提取一部分能量，输入第一光谱仪(8)测量其光谱作为参考；

②将从第二分束片(4)透射的啁啾探测光与待测的高频信号脉冲序列(5)同时射入非线性晶体(7)中，由于参量放大效应，能量在入射的啁啾探测光，高频信号脉冲序列(5)以及在此过程中产生的闲频光中交换，在有高频信号脉冲的地方啁啾光有能量损失，在无高频信号脉冲的位置啁啾光基本无损透射；

③从非线性晶体(7)透射的啁啾探测光入射到第二光谱仪(9)进行测量，得到光参量放大后的啁啾探测光光谱；

④将第一光谱仪(8)和第二光谱仪(9)分别得到的结果进行比较，即得到高频信号脉冲导致的啁啾探测光的能量变化，可反演出被测的高频信号脉冲序列。