CN101800391B - 基于双边带调制的太赫兹波产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双边带调制的太赫兹波产生装置和方法，包括微波信号源、单模激光器、电信号倍频器、强度调制器、光滤波器、光纤放大器、光电探测器和天线，所述微波信号源输出的低频微波信号输入电信号倍频器的输入端，电信号倍频器的输出端输出高频微波信号，其与单模激光器的输出光信号一并作为强度调制器的输入信号，强度调制器输出端输出的光信号依次经光滤波器和光纤放大器后，输出两个一阶边带的放大光信号；所述两个一阶边带的放大光信号再经光电探测器输入天线的信号接收端。本发明结构简单紧凑，成本较低，采用外部调制方法产生的太赫兹波性能稳定。

Description

基于双边带调制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

太赫兹波被越来越多的研究者关注，其在物理、化学、材料科学、通讯、探测、生物和医学等领域都有良好的应用前景。但是高性能太赫兹波的产生是实现应用的关键点和难点。但在过去相当长的时间里，由于缺乏有效的产生和检测方法，相对成熟的微波和光学技术，对该波段的研究进展相当缓慢。太赫兹波段甚至被人们称为电磁波谱中的太赫兹空隙。太赫兹空隙出现的重要原因是因为太赫兹波段处于电子学和光学两个研究领域之间，仅仅利用电子学或者光子学的技术和器件都不满足太赫兹波的需要，只有结合两方面的知识，开发全新的技术和元器件才能对该波段的电磁波进行更深入研究和开发利用。

光生太赫兹波技术，是微波光子学的研究领域的一个分支。微波光子学是光纤技术与微波技术相互融合的交叉性学科，利用光子学领域的技术手段来解决微波领域的问题。因而光生太赫兹波技术是结合电子学和光子学的方式来产生高性能的太赫兹波。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的旨在提出一种基于双边带调制的太赫兹波产生装置及方法，与传统的太赫兹产生装置相比，采用这种外部调制的方法，系统结构简单紧凑，成本较低，产生的太赫兹波性能稳定。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种基于双边带调制的太赫兹波产生装置，包括微波信号源、单模激光器、电信号倍频器、强度调制器、光滤波器、光纤放大器、光电探测器和天线，本发明的特征在于，所述微波信号源输出的低频微波信号输入电信号倍频器的输入端，电信号倍频器的输出端输出高频微波信号，所述高频微波信号与单模激光器的输出光信号一并作为强度调制器的输入信号，强度调制器输出端输出的光信号依次经光滤波器和光纤放大器后，输出两个一阶边带的放大光信号；所述两个一阶边带的放大光信号再经光电探测器输入天线的信号接收端。

作为优选方案，所述微波信号源采用市售的美国安捷伦公司E8257D型号信号发生器。由于马赫-曾德尔强度调制器(MZM)具有非线性的调制特性，进行模拟调制时会产生一系列谐波，因此本发明优选其作为强度调制器来实现光倍频。光滤波器可采用光交错复用器对光信号中心载波进行滤除。

一种基于双边带调制的太赫兹波产生方法，包括如下步骤：

1)微波信号源输出低频微波信号，经电信号倍频器进行倍频和放大处理后，输出高频的微波信号，同时，单模激光器产生一个连续的光信号；

2)上述电信号倍频器输出的高频的微波信号驱动强度调制器对所述光信号进行调制，将高频的微波信号调制到光信号的边带上，产生包括中心载波和两个一阶边带的双边带信号；

3)输出的双边带信号经光滤波器滤除调制光信号的中心载波，得到两个一阶边带信号，所述两个一阶边带的频率差两倍于驱动强度调制器的微波信号频率；

4)所述两个一阶边带信号经光纤放大器进行功率放大后，输出两个一阶边带的放大光信号；

5)所述两个一阶边带的放大光信号再经光电探测器产生电太赫兹信号，最后经天线发出太赫兹波。

本发明的工作原理及过程是：利用单模激光器产生一个连续光信号；同时，采用微波信号源产生一个低频微波信号，经过一个电信号倍频器在电域倍频后，产生高频微波信号，驱动强度调制器直接调制光信号：

由微波源信号E_RF(t)＝V_RFcos(ω_RFt+θ)驱动马赫-曾德尔强度调制器MZM，将微波信号调制在光载波E₀＝Acos(ω_ct)上，则输出的光信号可表示为：

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{A}{2}\left\{\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+\frac{V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}+\frac{V_{\mathrm{RF}}}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\π}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t\right)+\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+\frac{V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+\mathrm{\θ})))\right\}---\left(1\right)$

其中，V_RF为微波信号的幅度，V_π为MZM的半波电压，V_dc为直流偏置电压，ω_RF为微波源频率，ω_c为光载波频率，θ为微波信号的相位。

(1)式中置θ＝π，V_dc＝V_π/2，通过Bessel展开，近似表示为：

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)\≅\frac{A}{2}\{J_0\left(\mathrm{\χ}\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)-J_1\left(\mathrm{\χ}\right)[\sin \left(({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}})t\right)+\sin \left(({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}})t\right)\left]\right\}---\left(2\right)$

其中

表示为MZM的调制深度。

由上可知，双边带调制信号的光谱能量主要集中在频率为ω_c的中心载波和频率分别为(ω_c-ω_RF)和(ω_c+ω_RF)的两个一阶边带上，(ω_c-ω_RF)和(ω_c+ω_RF)两个一阶边带的频率差两倍于微波驱动信号频率。这两个一阶边带由同一个光源调制产生，因此是相干的。利用光滤波器滤除中心载波频率成分，只保留相干的两个一阶边带，再将剩余的两个一阶边带通过光纤放大器进行功率放大后，输入到光电探测器，可以得到的电信号为，

$I=R[P_1+P_2+2\sqrt{P_1{P}_2}\cos (({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t+({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2))]---\left(3\right)$

其中，R表示为光电探测器转换效率，ω₁，ω₂分别表示为输入到光电探测器两个光波的频率，φ₁，φ₂分别表示为输入到光电探测器两个光波的相位，P₁，P₂分别表示为输入到光电探测器两个光波的光功率。

(ω_c-ω_RF)和(ω_c+ω_RF)的两个一阶边带同一个光源调制产生，是相干的光波，即φ₁-φ₂为常量，其频率差为微波源频率ω_RF的两倍，因而通过光电探测器拍频产生电太赫兹信号，最后通过天线产生太赫兹波。

本发明所述基于双边带调制的太赫兹波产生装置和方法将高频电信号通过强度调制器在调制端将其调制到光波上，产生双边带光信号，实现光倍频，再通过光电探测器得到太赫兹波。用外部调制的方法产生太赫兹波，一方面处于成本上考虑，由于光学上的光源、光放大器件、调制器都已经商用了，技术非常成熟，价格相对便宜。另一方面，频率为100GHz以上的太赫兹信号在电域上非常难处理，面临无法突破的电子瓶颈。而用外部调制器产生的太赫兹波，具有相位噪声低、器件带宽要求低的优点，再加上太赫兹波如今还没有合适的低损耗的传输介质，其在大气和普通介质中传输损耗很大，而在光纤中传输损耗小、且信号可以利用光纤放大器放大，因而产生的太赫兹信号的功率可以得到保障，能远距离传输，有效的解决了太赫兹波传输问题。

附图说明

图1为本发明的实现方案结构示意图；

在图中：

1-单模激光器  2-强度调制器  3-光滤波器

4-光纤放大器  5-光电探测器  6-天线

7-微波信号源  8-电信号倍频器  9-太赫兹波输出

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作具体说明。

由图1所示，本实施例提出一种基于双边带调制的太赫兹波产生装置，包括单模激光器1、电信号倍频器8、强度调制器2、光滤波器3、光纤放大器4、光电探测器(PD)5和天线6，其中有低频微波信号输入电信号倍频器8，电信号倍频器8的输出信号与单模激光器1的输出光信号一并作为强度调制器2的输入信号，强度调制器2输出信号依次经光滤波器3和光纤放大器4后，再经光电探测器5产生电太赫兹信号，最后经天线6发出太赫兹波。

上述各部件的功能分别说明如下：

单模激光器1，用于产生指定波长的单纵模光载波；

强度调制器2，用于对指定波长的单纵模光载波进行双边带调制；本实施例优选采用马赫-曾德尔强度调制器(MZM)；

光滤波器3，用于滤除调制信号的中心载波，保留两个一阶边带；

光纤放大器4，用于对光太赫兹波信号功率进行放大；

光电探测器5(PD)，用于将光太赫兹信号转变为电太赫兹信号，本实施例采用市售的光电探测器；

天线6，用于将电太赫兹信号以太赫兹波的形式发射出去，本实施例采用市售的太赫兹天线；

微波信号源7，用于产生可调频率的低频微波信号，本实施例采用市售的微波信号发生器；

电信号倍频器8，用于将低频微波信号源电四倍频为高频的微波信号，本实施例采用市售的电倍频器；

本发明所采用的基于双边带调制的太赫兹波产生装置工作工程如下：

利用单模激光器1产生一个连续光信号；采用市售的美国安捷伦公司E8257D型号信号发生器发出微波信号7，再经过电信号倍频器8的倍频和放大后，驱动强度调制器2实现光信号的双边带调制；再通过光滤波器3滤除调制光信号的中心载波，得到两个一阶边带信号，其频率差间隔为太赫兹频段；接着通过光纤放大器4对一阶边带信号功率进行放大，然后利用光电探测器5，产生电太赫兹波信号，最后通过太赫兹天线发射出去。

本实施例利用强度调制器将电倍频后的微波信号调制到光信号上，实现双边带调制，产生光生太赫兹波信号。目前产生毫米波的ROF技术已经广泛的应用于光纤-无线的研究中，由于其成本低和性能的可靠性被越来越多的研究者接受。将ROF产生的毫米波信号扩展到产生太赫兹波信号，同样可以产生高性能的太赫兹波信号。

与以往的产生太赫兹波信号方式相比，本实施例结合了电子学和光子学产生太赫兹波的方式。有效的克服了两者的不足。基于ROF技术产生太赫兹波延续了光纤-无线系统结构简单、成本低、可移植性好的特点，此外借助光纤介质还可以实现对光太赫兹信号的长距离传输，更利于太赫兹波的实际应用。

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双边带调制的太赫兹波产生装置，均应在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双边带调制的太赫兹波产生装置，包括微波信号源、单模激光器、电信号倍频器、强度调制器、光滤波器、光纤放大器、光电探测器和天线，其特征在于，所述微波信号源输出的低频微波信号输入电信号倍频器的输入端，电信号倍频器的输出端输出高频微波信号，所述高频微波信号与单模激光器的输出光信号一并作为强度调制器的输入信号，强度调制器对所述光信号进行调制，将高频的微波信号调制到光信号的边带上，产生包括中心载波和两个一阶边带的双边带信号；输出的双边带信号经光滤波器滤除调制光信号的中心载波，得到两个一阶边带信号，所述两个一阶边带的频率差两倍于驱动强度调制器的微波信号频率；所述两个一阶边带信号经光纤放大器进行功率放大后，输出两个一阶边带的放大光信号；所述两个一阶边带的放大光信号再经光电探测器输入天线的信号接收端。

2.根据权利要求1所述基于双边带调制的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述微波信号源采用美国安捷伦公司E8257D型号信号发生器。

3.根据权利要求1或2所述基于双边带调制的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述强度调制器采用的是马赫-曾德尔强度调制器。

4.根据权利要求1或2所述基于双边带调制的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述光滤波器采用光交错复用器。

5.一种基于双边带调制的太赫兹波产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)微波信号源输出低频微波信号，经电信号倍频器进行倍频和放大处理后，输出高频的微波信号，同时，单模激光器产生一个连续的光信号；

2)上述电信号倍频器输出的高频的微波信号驱动强度调制器对所述光信号进行调制，将高频的微波信号调制到光信号的边带上，产生包括中心载波和两个一阶边带的双边带信号；

3)输出的双边带信号经光滤波器滤除调制光信号的中心载波，得到两个一阶边带信号，所述两个一阶边带的频率差两倍于驱动强度调制器的 微波信号频率；

4)所述两个一阶边带信号经光纤放大器进行功率放大后，输出两个一阶边带的放大光信号；

5)所述两个一阶边带的放大光信号再经光电探测器产生电太赫兹信号，最后经天线发出太赫兹波。