CN102623872B - 以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统 - Google Patents

Abstract

以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，包括依次连接的第一、第二波束分离器、带通滤波器、太赫兹混频器、中频放大单元和锁相单元，太赫兹量子级联激光器输出信号至第一波束分离器，固态半导体源高次谐波输出信号至第二波束分离器；第一、第二波束分离器分别将太赫兹量子级联激光器输出信号、固态半导体源高次谐波信号耦合至太赫兹混频器，混频器利用固态半导体源高次谐波为锁相参考；太赫兹混频器混频后的中频信号，先经过中频放大单元放大，然后送至锁相单元；所述锁相单元将中频信号进行锁相处理，实现太赫兹量子级联激光器锁相。

Description

以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统

技术领域

本发明涉及一种太赫兹信号源锁相系统，具体涉及一种基于高灵敏度超导热电子混频器和低频信号源（如固态半导体源）高次谐波为参考源的太赫兹量子级联激光器锁相系统。

背景技术

太赫兹频段常用信号源主要包括固体半导体源(如耿氏振荡器和倍频器组合)、真空管信号源(如返波管振荡器)，远红外气体激光器和量子级联激光器等。上述常用太赫兹信号源除远红外气体激光器外，其它信号源的工作频率一般会受外在条件影响，例如自由振荡的耿氏振荡器和太赫兹量子级联激光器的工作频率会受到环境温度波动和偏置电流噪声影响，因此，在实际应用中一般需要对信号源进行锁相来稳定其输出频率。

太赫兹信号源锁相可以基于谐波混频器实现，例如利用肖特基谐波混频器将固态半导体源锁相至(10 GHz附近)低频参考信号源，此方法在太赫兹低频段(1.5 THz以下频段)应用广泛，但随着频率升高，锁相中所需谐波混频器面临严峻技术挑战，例如灵敏度、可工作谐波次数、参考信号功率需求等。为此，欧美等发达国家正积极开展太赫兹高频段信号源(如太赫兹量子级联激光器)锁相技术研究。目前，法国LMPQ小组基于飞秒激光器和半导体化合物ZnTe中的电光效应在2.7 THz稳定了量子级联激光器的输出功率和输出频率，但其系统结构复杂，难以实际应用。另外，德国DLR小组基于太赫兹气体吸收谱线频率为参考，利用PID环路控制器，稳定了2.55 THz量子级联激光器的输出频率，但量子级联激光器的谱线宽度为kHz量级，仍无法满足高精度高频率分辨率应用需求。最近，德国KOSMA小组和荷兰SRON小组基于高灵敏度超导热电子混频器基波混频分别在1.5 THz和2.7 THz实现了量子级联激光器锁相，此方法简单可靠，已成为目前太赫兹高频段最有效的信号源锁相方案之一。但此方法中需要与信号源输出频率相近的太赫兹参考信号，KOSMA小组和SRON小组所用参考信号源分别为固态半导体源和超晶格(Superlattice)谐波发生器。此类参考信号源，如固体半导体源，在更高频段(1.5 THz以上)输出功率急剧降低，且制备非常困难，而超晶格谐波发生器在太赫兹高频段随着谐波次数升高输出功率也急剧降低，在实际应用中也会受到很大限制。因此，发现合适太赫兹参考信号源成为太赫兹高频段信号源锁相的关键。

发明内容

针对太赫兹高频段信号源(如量子级联激光器)锁相所需参考信号源的严重缺乏，本发明将提供一种新的太赫兹锁相参考源，即固态半导体源高次谐波。本发明将基于太赫兹高灵敏度混频器（超导热电子混频器）基波混频，利用固态半导体源高次谐波作为参考源，实现太赫兹量子级联激光器锁相。

完成上述发明的技术方案是：以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统包括按信号流向依次连接的第一波束分离器、第二波束分离器、带通滤波器、太赫兹混频器、中频放大单元和锁相单元，太赫兹量子级联激光器输出信号至第一波束分离器，固态半导体源高次谐波输出信号至第二波束分离器，太赫兹混频器直流偏置单元连接至太赫兹混频器，中频放大单元直流偏置单元连接至中频放大单元；

第一波束分离器、第二波束分离器分别将太赫兹量子级联激光器输出信号、固态半导体源高次谐波信号耦合至太赫兹混频器，混频器利用固态半导体源高次谐波为锁相参考；太赫兹混频器混频后的中频信号，先经过中频放大单元放大，然后送至锁相单元；所述锁相单元将下变频后的中频信号与微波参考信号进行相位比较，产生误差信号后作为调谐电压反馈给太赫兹量子级联激光器，从而实现太赫兹量子级联激光器锁相。

本发明中，两个波束分离器分别将太赫兹量子级联激光器输出信号和固态半导体源高次谐波信号耦合至太赫兹混频器,为了可基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测，这里选择波束分离器的反射方式将固态半导体源高次谐波耦合至太赫兹混频器，因为波束分离器的传输效率通常较高（大于95%），在被检测信号的传输路径中增加一个波束分离器将不会对相干检测系统的性能产生明显影响。所述太赫兹混频器采用超导热电子混频器，太赫兹量子级联激光器输出信号和固态半导体源高次谐波信号经超导热电子混频器混频后，所产生的中频将先经过中频放大单元，然后连接锁相单元。

所述中频放大单元包括低温低噪声放大器和常温中频放大器。

所述锁相单元包括L/S波段混频器，L/S波段信号源，锁相环路模块和微波参考信号源（如100 MHz参考信号源）；锁相环路模块将下变频后的中频信号与微波参考信号进行相位比较，产生误差信号，锁相环路模块中的环路滤波器将误差信号滤除高频成分，然后作为调谐电压反馈给太赫兹量子级联激光器，修正太赫兹量子级联激光器的直流偏置电流，稳定太赫兹量子级联激光器的输出频率，从而实现太赫兹量子级联激光器锁相。

作为本发明的进一步改进，为了防止固态半导体源的强基波信号对超导热电子混频器的工作状态产生影响，在超导热电子混频器之前加装一个准光学带通滤波器，所述准光学带通滤波器中心频率与太赫兹信号源输出信号频率相近，用于隔离固态半导体源的强基波信号。 

基于超导热电子混频器基波混频，利用固态半导体源高次谐波作为参考源，实现太赫兹量子级联激光器锁相的优点在于：1）锁相中所需固态半导体源技术成熟，应用广泛，其输出功率稳定, 输出频率可调(通常有10%调谐带宽),且通常都存在高次谐波。另外，固态半导体源结构简单，易于在太赫兹高频段外差接收机中集成。2）在混频器之前加装带通滤波器还可以抑制超导热电子混频器的直接检波效应，从而提高混频器灵敏度。3）利用超导热电子混频器基波混频实现太赫兹量子级联激光器锁相时，还可以利用此混频器实现太赫兹信号相干检测（例如利用功分器将中频放大单元输出信号分为两路，一路连接锁相单元，另一路连接频谱处理单元）。另外，因为超导热电子混频器属于宽带太赫兹混频器，还可以通过去除带通滤波器并使用固态半导体源作为相干检测本振源（不使用太赫兹量子级联激光器），从而实现太赫兹高频信号相干检测和太赫兹低频信号相干检测相互切换。

附图说明

图1是本发明实施例1以固态半导体源谐波为参考源的太赫兹量子级联激光器锁相系统的框图。

具体实施方式

现结合附图1与实施例作进一步说明。

图1为以固态半导体源谐波为参考源的太赫兹量子级联激光器锁相系统，此系统包括按信号流向依次连接的第一波束分离器1、第二波束分离器2、带通滤波器5、超导热电子混频器6、中频放大单元8和锁相单元10， 2.7 THz量子级联激光器4作为太赫兹信号源，输出信号至第一波束分离器，900 GHz频段固态半导体源3作为太赫兹低频信号源，输出信号至第二波束分离器，太赫兹混频器直流偏置单元7连接至超导热电子混频器6，中频放大单元直流偏置单元9连接至中频放大单元8，中频放大单元包括低温低噪声放大器和常温中频放大器。锁相单元10包括L/S波段混频器，L/S波段信号源，锁相环路模块和微波参考信号源（如100 MHz参考信号源）

其中，基于超导热电子混频器6基波混频，利用900 GHz频段固态半导体源3的高次谐波为锁相参考，实现2.7 THz 量子级联激光器<4>锁相的步骤如下：

1). 第一波束分离器1和第二波束分离器2分别将2.7 THz 量子级联激光器4输出信号和900 GHz频段固态半导体源3的三次谐波信号耦合至超导热电子混频器6。另外，准光学带通滤波器5（其通带中心频率为2.7 THz）将900 GHz频段固态半导体源3的强基波信号隔离。

2). 中频放大单元8将超导热电子混频器6差频后的中频信号放大。

3). 将放大后的中频信号送至锁相单元10。

4). 锁相单元10中L/S波段的混频器将中频信号与L/S波段信号源输出信号混频，混频后的信号与锁相模块中参考源信号（如100 MHz微波信号）共同进入PLL锁相环路模块。

5). PLL锁相环路模块中的鉴相器将下变频后的信号和微波参考信号（如100 MHz 微波信号）进行频率和相位的比较，产生一个误差信号。

6). PLL锁相环路模块中环路滤波器将误差信号滤除高频成分，然后作为调谐电压反馈给量子级联激光器4，修正量子级联激光器4的直流偏置电流，稳定量子级联激光器4的输出频率，从而实现2.7 THz 量子级联激光器4锁相。

Claims (6)

1.以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，其特征是，该系统包括按信号流向依次连接的第一波束分离器、第二波束分离器、带通滤波器、太赫兹混频器、中频放大单元和锁相单元，太赫兹量子级联激光器输出信号至第一波束分离器，固态半导体源高次谐波输出信号至第二波束分离器，太赫兹混频器直流偏置单元连接至太赫兹混频器，中频放大单元直流偏置单元连接至中频放大单元；

第一波束分离器、第二波束分离器分别将太赫兹量子级联激光器输出信号、固态半导体源高次谐波信号耦合至太赫兹混频器，太赫兹混频器利用固态半导体源的高次谐波为锁相参考；太赫兹混频器混频后的中频信号，先经过中频放大单元放大，然后送至锁相单元；所述锁相单元将下变频后的中频信号与微波参考信号进行相位比较，产生误差信号后作为调谐电压反馈给太赫兹量子级联激光器，从而实现太赫兹量子级联激光器锁相。

2.根据权利要求1所述的以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，其特征是，所述中频放大单元包括低温低噪声放大器和常温中频放大器。

3.根据权利要求1所述的以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，其特征是，所述锁相单元包括L/S波段混频器，L/S波段信号源，锁相环路模块和微波参考信号源；锁相环路模块将下变频后的中频信号与微波参考信号进行相位比较，产生误差信号，锁相环路模块中的环路滤波器将误差信号滤除高频成分，然后作为调谐电压反馈给太赫兹量子级联激光器，修正太赫兹量子级联激光器的直流偏置电流，稳定太赫兹量子级联激光器的输出频率，从而实现太赫兹量子级联激光器锁相。

4.根据权利要求1所述的以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，其特征是，所述太赫兹混频器为超导热电子混频器。

5.根据权利要求4所述的以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，其特征是，所述超导热电子混频器之前加装一个准光学带通滤波器，所述准光学带通滤波器中心频率与太赫兹量子级联激光器输出信号频率相近，用于隔离固态半导体源的强基波信号。

6.根据权利要求4所述的以固态半导体源谐波为参考源的量子级联激光器锁相系统，其特征是，所述太赫兹量子级联激光器为2.7 THz量子级联激光器，所述固态半导体源为900 GHz频段固态半导体源。