CN102854695B - 基于嵌套马赫-曾德尔调制器的太赫兹波产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太赫兹无线通信领域中基于嵌套马赫-曾德尔调制器产生太赫兹波的装置及方法。装置包括：可调光源、射频信号源、电分路器、第一电放大器、电移相器、第二电放大器、嵌套马赫-曾德尔调制器和光电探测器。方法为：射频信号源输出的低频正弦波信号经过电分路器被分成两路，所述两路信号经第一放大器和第二放大器信号放大后分别驱动嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器和下臂子调制器；可调光源输出的连续光波输入嵌套马赫-曾德尔调制器进行调制，所述已调连续光波输入光电探测器进行光电转换；通过合理调节嵌套马赫-曾德尔调制器的调制电压与偏置电压，使光电探测器的输出端产生12倍于低频正弦波信号频率的太赫兹波。本发明配置简单，降低了系统的成本和器件带宽要求。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹无线通信领域，尤其涉及一种产生太赫兹波的装置与方法。
背景技术
太赫兹波是电磁频率在0.1~10THz(波长在3mm~30mm)之间的电磁波，波段介于微波与远红外光之间。太赫兹技术可广泛应用于雷达、遥感、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。在通信传输方面，由于太赫兹波具有瞬态性、宽带性、低能性、高穿透性的特点，这使太赫兹波表现出比传统微波和光波更具优势的传输能力。目前太赫兹频段属于空白频段，因此研究太赫兹无线通信可以抢占无线频谱资源、拓展无线通信带宽，具有重要的意义。
高性能太赫兹波的产生技术是实现太赫兹通信的关键。目前，太赫兹波的产生可以通过电子学和光子学两种技术途径实现。常用的电子学方法包括电子振荡辐射、加速电子产生法等，常用的光子学方法包括能光整流、光学差频、双激光二极管光相位锁定以及非线性调制等方法。利用光子学方法产生太赫兹波具有频率高、可调谐性强等优势。而其中的光学外部调制产生太赫兹波被认为是很有吸引力的解决方案，具有频率可调范围大、系统稳定性好、产生太赫兹波的频率纯度高等优点。
经对现有技术的文献检索发现，Wangzhe Li等人在IEEE Photonics Journal,2(2010)：954-959（《光子学杂志》2010）上发表的Microwave and Terahertz Generation Based onPhotonically Assisted Microwave Frequency Twelvetupling With Large Tunability（《基于光学12倍频法产生微波/太赫兹波》）中提及，通过级联偏振调制器、布拉格光纤光栅、半导体放大器以及受激布里渊散射滤波器等光学器件，采用二倍频调制和四波混频方法产生12倍频的太赫兹波。然而，该装置需要的光学器件多，插入损耗大，而且该装置的多个节点都需要对光波进行偏振控制，实现起来非常复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种结构简单的太赫兹波产生装置与方法。本发明采用嵌套马赫-曾德尔调制器，基于光学非线性调制和干涉技术，通过合理设置嵌套马赫-曾德尔调制器的调制深度和偏置电压，从而产生频率为调制信号频率12倍的太赫兹波，降低了系统的成本。
本发明采用以下具体技术方案实现：
本发明提出的太赫兹波产生装置包括：可调光源、射频信号源、电分路器、第一电放大器、电移相器、第二电放大器、嵌套马赫-曾德尔调制器和光电探测器。所述可调光源的输出端连接所述嵌套马赫-曾德尔调制器的光输入端；所述射频信号源的输出端连接所述电分路器的输入端；所述电分路器的两个输出端口分别连接所述第一电放大器输入端和所述电移相器输入端；所述第一电放大器的输出端连接所述嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器射频驱动端口；所述电移相器的输出端连接所述第二电放大器的输入端；所述第二电放大器的输出端连接所述嵌套马赫-曾德尔调制器的下臂子调制器射频驱动端口；所述嵌套马赫-曾德尔调制器的输出端口连接光电探测器输入端。
其中，所述嵌套马赫-曾德尔调制器由集成在单个芯片上、具有相同结构和性能的上臂子调制器和下臂子调制器组成，每个子调制器都具有独立的射频端口和偏置端口，另外嵌套马赫-曾德尔调制器还有一主偏置端口，用于调节上臂子调制器和下臂子调制器的输出。
本发明提出的太赫兹波产生方法包括以下步骤：
步骤一、可调光源输出频率为fc连续光波，输入嵌套马赫-曾德尔调制器后被分成完全相同的两路，分别由嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器和下臂子调制器进行调制，射频信号源输出频率为fe的正弦波信号，被电分路器分成等功率的两路信号：第一路正弦波信号经第一电放大器放大后驱动上臂子调制器，第二路正弦波信号经电移相器移相处理，并通过第二电放大器放大后驱动下臂子调制器；
步骤二、控制所述第一电放大器和第二放大器的放大电压，使得所述上臂子调制器和下臂子调制器输出光信号的二阶上/下边带fc±2fe被抑制，并且调节所述上臂子调制器和下臂子调制器的偏置电压分别为传输曲线的最高点，使得两个子调制器输出光信号的所有奇数边带被抑制，则所述上臂子调制器和下臂子调制器分别输出包含7个频率分量的光信号，
其中，所述包含7个频率分量的光信号由中心载波fc、四阶上/下边带fc±4fe、六阶上/下边带fc±6fe、八阶上/下边带fc±8fe组成；
步骤三、控制所述电移相器的相移量，且调节所述嵌套马赫-曾德尔调制器的主偏置电压，使得所述上臂子调制器输出光信号的中心载波fc、四阶上/下边带fc±4fe、八阶上/下边带fc±8fe相对于所述下臂子调制器输出光信号的中心载波fc、四阶上/下边带fc±4fe、八阶上/下边带fc±8fe的相位差变为π，所述上臂子调制器输出光信号的六阶上/下边带fc±6fe相对于所述下臂子调制器输出光信号的六阶上/下边带fc±6fe的相位差变为0，则在所述嵌套马赫-曾德尔调制器的输出端，相位差为π的频率分量相互抵消、相位差为0的频率分量相互叠加，最终输出由六阶上/下边带fc±6fe组成、频率间隔为12fe的光信号，
其中，所述电移相器的相移量控制为第一路正弦波信号与第二路正弦波信号相位相差π/2，所述嵌套马赫-曾德尔调制器的主偏置电压调节为传输曲线的Vπ点；
步骤四、所述嵌套马赫-曾德尔调制器的输出光信号通过光电探测器进行光电转换，其六阶上边带fc+6fe与六阶下边带fc-6fe相互拍频，产生频率为12fe的太赫兹波。
本发明的有益效果是，采用较低频率的微波调制信号就能够产生12倍于微波调制信号频率的太赫兹波，如，仅需要一个10GHz正弦波信号即可以产生频率间隔达0.12THz的太赫兹波，大大降低了太赫兹通信系统对器件的带宽要求。此外，由于只使用单独的嵌套马赫-曾德尔调制器，简化了装置结构，具有很强的操作性和可调谐性，更易于实际应用。
附图说明
图1为本发明的太赫兹波产生原理图；
图2为本发明实施例示意图；
图3为本发明实施例结果图；
其中，图3（a）是10GHz正弦波信号的时域波形；图3（b）是嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器输出光信号的频谱；图3（c）是产生的太赫兹波的时域波形；图3（d）是嵌套马赫-曾德尔调制器输出光信号的频谱；图3（e）是产生的太赫兹波的频谱。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
如图2所示，本实施例中，装置包括：一个可调光源、一个射频信号源、一个电分路器、第一电放大器、一个电移相器、第二电放大器、一个嵌套马赫-曾德尔调制器和一个光电探测器；可调光源的输出端连接嵌套马赫-曾德尔调制器的光输入端口，嵌套马赫-曾德尔调制器的光输出端连接光电探测器光输入端口；射频信号源的输出端口连接电分路器输入端，电分路器的两个输出端口分别连接第一电放大器输入端和电移相器输入端；第一电放大器的输出端与上臂子调制器的射频驱动端口相连；电移相器的输出端口连接第二电放大器的输入端，第二电放大器的输出端连接下臂子调制器的射频驱动端口。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一、可调光源产生波长为1552.5nm的连续光波，连续光波输入到半波电压为4V嵌套马赫-曾德尔调制器，射频信号源输出10GHz正弦波信号，正弦波信号被电分路器分成两路：第一路正弦波信号经第一电放大器放大后驱动上臂子调制器，第二路正弦波信号经电移相器移相处理，并通过第二电放大器放大后驱动下臂子调制器；
步骤二、分别控制所述第一电放大器和第二电放大器的放大电压，使所述第一路正弦波信号和第二路正弦波信号的峰-峰值均放大为13V，同时调节所述嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器和下臂子调制器的偏置电压为0V，则所述上臂子调制器和下臂子调制器分别输出包含中心载波、四阶上/下边带、六阶上/下边带和八阶上/下边带7个频率分量的光信号；
步骤三、调节所述电移相器的相移量为π/2，且设置所述嵌套马赫-曾德尔调制器的主偏置电压为4V，则嵌套马赫-曾德尔调制器最终输出由六阶上边带和六阶下边带组成、频率间隔为0.12TGHz的光信号；
步骤四、上述嵌套马赫-曾德尔调制器输出的光信号通过光电探测器进行光电转换，其六阶上边带和六阶下边带相互拍频产生频率为0.12THz的太赫兹波。
图3为本实例应用于图2所示的结果。其中，图3（a）是10GHz正弦波信号的时域波形，可以看到其周期是100ps；图3（b）是嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器输出光信号的频谱，可以看到包含7个频率分量，分别为中心载波、四阶上/下边带、六阶上/下边带和八阶上/下边带，其中的中心载波与四阶上边带及六阶上边带的频率间隔分别为0.04THz和0.06THz；图3（c）是产生的太赫兹波的时域波形，可以看到其周期为~8.33ps，与原始10GHz正弦波信号的波形基本一致；图3（d）是嵌套马赫-曾德尔调制器输出光信号的频谱，可以看到由六阶上边带和六阶下边带组成，频率间隔为0.12THz；图3（e）是产生的太赫兹波的频谱，可以看到0.12THz频率点的功率比其他频率点功率高约37dB。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，太赫兹波的频率范围也不限于0.12THz，这些等同变形和替换以及频率范围的调制也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于嵌套马赫-曾德尔调制器的太赫兹波产生装置，包括可调光源、射频信号源、电分路器、第一电放大器、电移相器、第二电放大器、嵌套马赫-曾德尔调制器和光电探测器，其特征在于：所述可调光源的输出端连接所述嵌套马赫-曾德尔调制器的光输入端；所述射频信号源的输出端连接所述电分路器的输入端；所述电分路器的两个输出端口分别连接所述第一电放大器输入端和所述电移相器输入端；所述嵌套马赫-曾德尔调制器由集成在单个芯片上、具有相同结构和性能的上臂子调制器和下臂子调制器组成，每个子调制器都具有独立的射频端口和偏置端口，另外嵌套马赫-曾德尔调制器还有一主偏置端口；所述嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器和下臂子调制器的偏置电压均调节为传输曲线的最高点，所述嵌套马赫-曾德尔调制器的主偏置电压调节为传输曲线的Vπ点；所述第一电放大器的输出端连接所述嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器射频驱动端口；所述电移相器的输出端连接所述第二电放大器的输入端；所述电移相器的相移量为π/2；所述第二电放大器的输出端连接所述嵌套马赫-曾德尔调制器的下臂子调制器射频驱动端口；所述嵌套马赫-曾德尔调制器的输出端口连接所述光电探测器输入端。
2.基于嵌套马赫-曾德尔调制器的太赫兹波产生方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一、可调光源输出频率为fc连续光波，输入嵌套马赫-曾德尔调制器后被分成完全相同的两路，分别由嵌套马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器和下臂子调制器进行调制，射频信号源输出频率为fe的正弦波信号，被电分路器分成等功率的两路信号：第一路正弦波信号经第一电放大器放大后驱动所述上臂子调制器，第二路正弦波信号经电移相器移相处理，并通过第二电放大器放大后驱动所述下臂子调制器；
步骤二、控制所述第一电放大器和第二放大器的放大电压，使得所述上臂子调制器和下臂子调制器输出光信号的二阶上/下边带fc±2fe被抑制，并且分别调节所述上臂子调制器和下臂子调制器的偏置电压为传输曲线的最高点，使得两个子调制器输出光信号的所有奇数边带被抑制，则所述上臂子调制器和下臂子调制器分别输出包含7个频率分量的光信号，
其中，所述包含7个频率分量的光信号由中心载波fc、四阶上/下边带fc±4fe、六阶上/下边带fc±6fe、八阶上/下边带fc±8fe组成；
步骤三、控制所述电移相器的相移量，且调节所述嵌套马赫-曾德尔调制器的主偏置电压，使得所述上臂子调制器输出光信号的中心载波fc、四阶上/下边带fc±4fe、八阶上/下边带fc±8fe相对于所述下臂子调制器输出光信号的中心载波fc、四阶上/下边带fc±4fe、八阶上/下边带fc±8fe的相位差为π，所述上臂子调制器输出光信号的六阶上/下边带fc±6fe相对于所述下臂子调制器输出光信号的六阶上/下边带fc±6fe的相位差为0，则在所述嵌套马赫-曾德尔调制器的输出端，相位差为π的频率分量相互抵消、相位差为0的频率分量相互叠加，最终输出由六阶上/下边带fc±6fe组成、频率间隔为12fe的光信号；
步骤四、所述嵌套马赫-曾德尔调制器的输出光信号通过光电探测器进行光电转换，所述六阶上边带fc+6fe与六阶下边带fc-6fe相互拍频，产生频率为12fe的太赫兹波。
3.如权利要求2所述的太赫兹波的产生方法，其特征在于，所述步骤三中电移相器的相移量控制为第一路正弦波信号与第二路正弦波信号相位相差π/2。
4.如权利要求2所述的太赫兹波的产生方法，其特征在于，所述步骤三中嵌套马赫-曾德尔调制器的主偏置电压调节为传输曲线的Vπ点。
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