CN102324683A - 一种太赫兹波信号产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器和连接在环形激光器的第一输入输出波导一端上的分布式布拉格反射光栅，所述环形激光器包括闭合谐振腔、与闭合谐振腔分别耦合的第一输入输出波导和第二输入输出波导、位于闭合谐振腔上的闭合谐振腔电极和位于闭合谐振腔与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极和第二耦合器电极，其特征在于，还包括连接在环形激光器的第二输入输出波导一端上并且与分布式布拉格反射光栅位于同一侧的可调谐带通滤波器以及与可调谐带通滤波器连接的单行载流子光电探测器。本发明的有益效果是：相位锁定的两个模式可相干形成高质量的拍频信号，进而在单行载流子光电探测器处混频产生高质量的太赫兹信号。

Description

一种太赫兹波信号产生装置
技术领域
本发明属于太赫兹波领域，尤其涉及光生太赫兹波信号领域。
背景技术
太赫兹波(Terahertz Wave，简称THz)是指频率在100GHz～10THz(即波长3000～30微米)的电磁波，在科研、国民经济、军事及国家安全方面均具有极大的理论与实用价值，可广泛应用在如通信、物理学、材料学、医学成像、探测成像、雷达、遥感、制导、国土安全与反恐、食品安全与检测、大气与环境监测和宇宙天文学等领域。
如何产生高质量的太赫兹波一直是本技术领域理论与应用研究的热点，太赫兹波的产生方式大致可以分为电生或光生两个途径。在众多的光生太赫兹波的方案中，光外差或光混频的方法最为简单直接，该方法对应的太赫兹波信号产生装置主要包括拍频信号产生单元和光电器件单元，该方法使用波长相近的两个单模激光器组成的拍频信号产生单元输出的两组光产生拍频信号，将产生的拍频信号激励光电器件如单行载流子光电探测器(UTC-PD)后可产生太赫兹波。
但是由于拍频信号产生单元使用两个单模激光器作为两个独立光源，其输出的光波受各自的随机相位噪声、频率偏移以及外部温度与偏置电流等工作条件影响，很难保证频差稳定和相位相干，因此产生的拍频信号质量不高，影响了最终产生的太赫兹波信号质量；同时拍频信号产生单元结构复杂，很难实用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的太赫兹波信号产生装置信号质量不高的缺点，提出了一种太赫兹波信号产生装置。
本发明的技术方案之一是：一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器和连接在环形激光器的第一输入输出波导一端上的分布式布拉格反射光栅，所述环形激光器包括闭合谐振腔、与闭合谐振腔分别耦合的第一输入输出波导和第二输入输出波导、位于闭合谐振腔上的闭合谐振腔电极和位于闭合谐振腔与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极和第二耦合器电极，其特征在于，还包括连接在环形激光器的第二输入输出波导一端上并且与分布式布拉格反射光栅位于同一侧的可调谐带通滤波器以及与可调谐带通滤波器连接的单行载流子光电探测器。
本发明的技术方案之二是：一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器和连接在环形激光器的第一输入输出波导一端上的分布式反馈激光器，所述环形激光器包括闭合谐振腔、与闭合谐振腔分别耦合的两个第一输入输出波导和第二输入输出波导、位于闭合谐振腔上的闭合谐振腔电极和位于闭合谐振腔与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极和第二耦合器电极，其特征在于，还包括连接在环形激光器的第二输入输出波导一端上并且与分布式反馈激光器位于同一侧的可调谐带阻滤波器、与可调谐带阻滤波器连接的可调谐带通滤波器以及与可调谐带通滤波器连接的单行载流子光电探测器。
本发明的有益效果是：本发明将调节分布式布拉格反射光栅或分布式反馈激光器与环形激光器、可调谐带阻滤波器与可调谐带通滤波器组合的结构，可以使环形激光器在主模未被抑制时被锁定，在环形激光器的非线性效应作用下，环形激光器激射方向的主模和其他模式(边模)作用实现谐振腔增强型四波混频，从而通过四波混频实现参与的各模式之间的相位锁定(即相位差固定)，因此相位锁定的两个模式可相干形成高质量的拍频信号，进而在单行载流子光电探测器处混频产生高质量的太赫兹信号。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构原理示意图。
图2是本发明实施例2的结构原理示意图。
图3是本发明的环形激光器自由激射模式的光谱示意图。
图4是本发明的环形激光器在外部注入锁定第一边模产生四波混频的光谱示意图。
图5是本发明的环形激光器在外部注入锁定第二边模产生四波混频的光谱示意图
图6是本发明的环形激光器在外部注入锁定第三边模产生四波混频的光谱示意图。
附图标记说明：环形激光器1、闭合谐振腔11、第一输入输出波导12、第二输入输出波导13、第一耦合器电极14、第二耦合器电极15、闭合谐振腔电极16、分布式布拉格反射光栅2、可调谐带通滤波器3、单行载流子光电探测器4、分布式反馈激光器5、可调谐带阻滤波器6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做详细的说明。
实施例1：如图1所示，一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器1和连接在环形激光器1的第一输入输出波导12一端上的分布式布拉格反射光栅2，所述环形激光器1包括闭合谐振腔11、与闭合谐振腔11分别耦合的第一输入输出波导12和第二输入输出波导13、位于闭合谐振腔11上的闭合谐振腔电极16和位于闭合谐振腔11与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极14和第二耦合器电极15，其特征在于，还包括连接在环形激光器1的第二输入输出波导13一端上并且与分布式布拉格反射光栅2位于同一侧的可调谐带通滤波器3以及与可调谐带通滤波器3连接的单行载流子光电探测器4。
下面结合图1、图4、图5和图6对实施例1的工作过程做详细描述。
将电流通过闭合谐振腔电极16注入环形激光器1的闭合谐振腔11，使环形激光器1工作在在阈值电流以上，环形激光器1处于顺时针和逆时针双方向均稳定激射状态(发光)，闭合谐振腔11内双方向的模式的光谱图如图3所示，图中主模为λ0，位于主模λ0两侧分别为第一边模λ+1和λ-1，第二边模λ+2和λ-2，第三边模λ+3和λ-3，第四边模λ+4和λ-4和第五边模λ+5和λ-5。环形激光器1的第一输入输出波导12的一端与布拉格光栅2连接，布拉格光栅2用于反射环形激光器1的某一特定波长的输出光，通过改变布拉格光栅2的电流可以调节反射光的波长。通过改变第一耦合器电极14的偏置电流可以调节耦合入闭合谐振腔11内的反射光功率，通过改变第二耦合器电极15的偏置电流可以调节耦合出闭合谐振腔11内的光功率。
如图4所示，调节分布式布拉格反射光栅2的反射波长至环形激光器1的第一边模λ+1附近，微调第一耦合器电极14的注入电流，改变耦合比，使环形激光器1在主模未被抑制时被锁定，在环形激光器1的非线性效应作用下，反射光与环形激光器1的主模和其他模式作用实现谐振腔增强型四波混频，从而通过四波混频实现参与的各模式之间的相位锁定(相位锁定的任意两个模式可相干形成高质量的拍频信号)，相位锁定后的环形激光器1的各个模式经过第二输入输出波导13输出，输出功率可以通过调节第二耦合器电极15的偏置电流改变。图4中的Δf表示两种不同模式λ0和λ+1的波长差所对应的频率差。
还可以通过调节分布式布拉格反射光栅2的反射波长，依次锁定长波长(主模右侧)一侧的更高阶边模，如图5中的第二边模λ+2和图6中第三边模λ+3，利用相同的步骤和方法，可以实现注入锁定最高阶边模如第五边模λ+5，进而通过四波混频实现参与的各模式之间的相位锁定(相位锁定的任意两个模式可相干形成高质量的拍频信号)，相位锁定后的环形激光器1的各个模式经过第二输入输出波导13输出，输出功率可以通过调节第二耦合器电极15的偏置电流改变。
环形激光器1的输出经过可调谐带通滤波器3后可得到主模λ0和被注入锁定的边模的两个模式，即图4、图5和图6中的λ0与λ1，λ0与λ2、λ0与λ3，两个相位一致的模式拍频即产生太赫兹波的拍频信号，拍频信号频率由两种不同模式的频率差决定。显然我们调节分布式布拉格反射光栅2的反射波长实现对注入锁定模式的不同选择，可以得到频率可调(Δf、2Δf、3Δf)的拍频信号。该拍频信号在单行载流子光电探测器4处混频产生高质量的太赫兹信号。
本实施例中假定注入环形激光器1用于锁定波长的分布式布拉格反射光栅2的反射波长均在主模右侧，本领域的普通技术人员应该意识到注入锁定也可以在主模左侧进行，注入锁定达到的效果与注入锁定在主模的左右侧位置无关。
实施例2：如图2所示，一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器1和连接在环形激光器1的第一输入输出波导12一端上的分布式反馈激光器5，所述环形激光器1包括闭合谐振腔11、与闭合谐振腔11分别耦合的两个第一输入输出波导12和第二输入输出波导13、位于闭合谐振腔11上的闭合谐振腔电极16和位于闭合谐振腔11与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极14和第二耦合器电极15，其特征在于，还包括连接在环形激光器1的第二输入输出波导13一端上并且与分布式反馈激光器5位于同一侧的可调谐带阻滤波器6、与可调谐带阻滤波器6连接的可调谐带通滤波器3以及与可调谐带通滤波器3连接的单行载流子光电探测器4。
下面结合图2、图4、图5和图6对实施例1的工作过程做详细描述。
实施例2的环形激光器1与实施例1中的环形激光器1构成相同，相区别的是：利用分布式反馈激光器5代替分布式布拉格反射光栅2。将电流通过闭合谐振腔电极16注入环形激光器1的闭合谐振腔11，使环形激光器1工作在在阈值电流以上，环形激光器1处于顺时针和逆时针双方向均稳定激射状态(发光)，闭合谐振腔11内双方向的模式的光谱图如图3所示，图中主模为λ0，位于主模λ0两侧分别为第一边模λ+1和λ-1，第二边模λ+2和λ-2，第三边模λ+3和λ-3，第四边模λ+4和λ-4和第五边模λ+5和λ-5。环形激光器1的第一输入输出波导12的一端与分布式反馈激光器5连接，分布式反馈激光器5产生某一特定波长的输出光，通过改变分布式反馈激光器5的偏置电流可以调节输出波长。通过改变第一耦合器电极14的偏置电流可以调节耦合入闭合谐振腔11内的分布式反馈激光器5的输出功率。
如图4所示，调节分分布式反馈激光器5的输出波长至环形激光器1的第一边模λ+1附近，微调第一耦合器电极14的注入电流，改变耦合比，使环形激光器1在主模未被抑制时被锁定，在环形激光器1的非线性效应作用下，分布式反馈激光器5的输出光与环形激光器1的主模和其他模式作用实现谐振腔增强型四波混频，从而通过四波混频实现参与的各模式之间的相位锁定(相位锁定的任意两个模式可相干形成高质量的拍频信号)，相位锁定后的环形激光器1的各个模式经过第二输入输出波导13输出，输出功率可以通过调节第二耦合器电极15的偏置电流改变。
还可以通过调节分布式反馈激光器5的输出波长，依次锁定长波长(主模右侧)一侧的更高阶边模，如图5中的第二边模λ+2和图6中第三边模λ+3，利用相同的步骤和方法，可以实现注入锁定最高阶边模如第五边模λ+5，进而通过四波混频实现参与的各模式之间的相位锁定，相位锁定的任意两个模式可相干形成高质量的拍频信号，经过第二输入输出波导13输出，输出功率可以通过调节第二耦合器电极15的偏置电流改变。
利用可调谐带阻滤波器6滤除环形激光器1的输出中的主模信号λ0，之后在输出至可调谐带通滤波器3。当如图4分布式反馈激光器5注入锁定环形激光器1第一边模λ+1时，通过可调谐带通滤波器3滤除除λ-1和λ1之外的其它模式，得到频差为2Δf的两个模式；当如图5分布式反馈激光器5注入锁定环形激光器1第二边模λ+2时，通过可调谐带通滤波器3，滤除除λ-2和λ2之外的其它模式，得到频差为4Δf的两个模式；当如图6分布式反馈激光器5注入锁定环形激光器1第三边模λ+3时，通过可调谐带通滤波器3，滤除除λ-3和λ3之外的其它模式，得到频差为6Δf的两个模式，显然我们利用分布式反馈激光器5的注入波长与可调谐带通滤波器3、可调谐带阻滤波器6的不同组合，得到频率可调(2Δf、4Δf、6Δf)的拍频信号。该拍频信号在单行载流子光电探测器4处混频产生高质量的太赫兹信号。
本实施例中假定注入环形激光器1中用于锁定波长的分布式反馈激光器5的激射波长均在主模右侧，本领域的普通技术人员应该意识到注入锁定也可以在主模左侧进行，注入锁定达到的效果与注入锁定在主模的左右侧位置无关。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器(1)和连接在环形激光器(1)的第一输入输出波导(12)一端上的分布式布拉格反射光栅(2)，所述环形激光器(1)包括闭合谐振腔(11)、与闭合谐振腔(11)分别耦合的第一输入输出波导(12)和第二输入输出波导(13)、位于闭合谐振腔(11)上的闭合谐振腔电极(16)和位于闭合谐振腔(11)与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极(14)和第二耦合器电极(15)，其特征在于，还包括连接在环形激光器(1)的第二输入输出波导(13)一端上并且与分布式布拉格反射光栅(2)位于同一侧的可调谐带通滤波器(3)以及与可调谐带通滤波器(3)连接的单行载流子光电探测器(4)。
2.一种太赫兹波信号产生装置，包括环形激光器(1)和连接在环形激光器(1)的第一输入输出波导(12)一端上的分布式反馈激光器(5)，所述环形激光器(1)包括闭合谐振腔(11)、与闭合谐振腔(11)分别耦合的两个第一输入输出波导(12)和第二输入输出波导(13)、位于闭合谐振腔(11)上的闭合谐振腔电极(16)和位于闭合谐振腔(11)与输入输出波导耦合处的第一耦合器电极(14)和第二耦合器电极(15)，其特征在于，还包括连接在环形激光器(1)的第二输入输出波导(13)一端上并且与分布式反馈激光器(5)位于同一侧的可调谐带阻滤波器(6)、与可调谐带阻滤波器(6)连接的可调谐带通滤波器(3)以及与可调谐带通滤波器(3)连接的单行载流子光电探测器(4)。
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