CN105425387B - 太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法，包括：驱动电源、太赫兹量子级联激光器、第一离轴抛物面镜、线偏振激光调制器、第二离轴抛物面镜、太赫兹量子阱探测器、电流放大器及示波器。采用太赫兹激光的量子级联激光器作为理想的线偏振激光源，并利用太赫兹量子阱探测器对线偏振激光的选择特性，整个装置无需额外的起偏器和解偏器，装置的偏振消光比大于1000，使得采用该偏振调制装置的通信系统具有优异的信噪比；此外通过以一定的速度快速旋转线偏振片，将偏振方向的周期变化转化为偏振光信号随时间的变化，可充分满足偏振调制解调的速度，实现信号的快速调制解调，从而为太赫兹频段提供一种基于偏振调制解调的无线通信技术手段。

Description

太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，特别是涉及一种太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法。

背景技术

随着人类活动的日益频繁，人们对通信速率和通信容量的需求日益增加，人类通信的频率也逐渐向太赫兹(THz)频段靠近，THz无线通信技术被认为是下一代通信应用的重要发展方向。偏振调制是光通信中的常用手段，由于缺乏有效的外调制器和相应的调制手段，到目前为止，THz频段的通信技术均采用直接调制(内调制)方式，THz频段的偏振调制技术一直未能实现，尤其是在2-5THz频段。

THz量子级联激光器(THz QCL)是一种半导体二维材料中电子从上能级跃迁到下能级而辐射出光的电子器件，具有能量转换效率高、体积小、可调制速度快以及使用寿命长等特点，由于器件发光是基于子带间的电子跃迁，THz QCL输出的激光具有很强的线偏振特性。THz量子阱探测器(THz QWP)是与THz QCL频率非常匹配的一种快速探测器，根据选择定则，二维量子阱材料中的电子只对沿生长方向有偏振分量的入射光有吸收，进而跃迁到准连续态，形成光生电流。因此，THz QWP通常采用45度斜面入射或者光栅正入射的波导结构，这使得器件对入射激光的偏振具有一定的选择性，尤其是光栅正入射的波导结构，其对入射激光偏振的选择接近线偏振特性。THz QCL和THz QWP的线偏振特性使得二者成为未来THz频段偏振调制解调技术研究中最具潜力的发射源和探测器。

以THz QCL为发射源，THz QWP为探测端，通过调节光路中线偏振片的角度，实现对THz QCL出射激光的偏振调制，再利用THz QWP对线偏振激光的选择特性完成对调制偏振激光的解调，最终实现了对线偏振激光的调制、传输和解调过程，为实现基于偏振调制的THz无线通信技术奠定基础。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法，该装置及实现方法利用具有线偏振激光特性的激光源和探测器从原理上实现了对线偏振激光的调制和解调，为太赫兹频段的无线通信技术提供了一种颇具潜力的调制解调手段。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹激光的偏振调制调解装置，所述太赫兹激光的偏振调制调解装置包括：驱动电源、太赫兹量子级联激光器、第一离轴抛物面镜、线偏振激光调制器、第二离轴抛物面镜、太赫兹量子阱探测器、电流放大器及示波器；

所述太赫兹量子级联激光器与所述驱动电源相连接，适于在所述驱动电源的驱动信号下辐射出太赫兹线偏振激光；

所述第一离轴抛物面镜位于所述太赫兹量子级联激光器的一侧，适于收集所述太赫兹量子级联激光器发出的线偏振激光，并将收集的所述线偏振激光改变成平行的线偏振激光传输至所述线偏振激光调制器；

所述线偏振激光调制器适于接收所述第一离轴抛物面镜反射的平行的线偏振激光，并将接收的所述线偏振激光进行调制；

所述第二离轴抛物面镜适于收集所述线偏振激光调制器调制后的线偏振激光，并将收集到的调制后的线偏振激光会聚于所述太赫兹量子阱探测器的敏感面上；

所述太赫兹量子阱探测器适于接收所述第二离轴抛物面镜会聚的调制后的线偏振激光，并产生相应的光电流信号；

所述电流放大器与所述太赫兹量子阱探测器相连接，适于提取所述太赫兹量子阱探测器产生的光电流信号，并将提取的光电流信号放大为电压信号输出；

所述示波器与所述电流放大器相连接，适于接收并显示所述电流放大器输出的放大电压信号。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器为端面发射结构。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为2THz～5THz。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述线偏振激光调制器包括线偏振片、旋转座及驱动器；

所述线偏振片固定于所述旋转座的表面；所述旋转座与所述驱动器相连接，适于在所述驱动器驱动下带动所述线偏振片旋转，以将接收到的线偏振激光调制为线偏振强度周期性变化的线偏振激光。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述线偏振片包括基底及位于所述基底表面的衍射光栅。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述基底为聚乙烯基底，所述衍射光栅为金属线形成的衍射光栅。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述旋转座为圆形旋转盘，在所述驱动器的驱动下，所述旋转座的最大转速可达20转/秒。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述太赫兹量子阱探测器的探测频率范围为2THz～7THz。

作为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器输出激光的偏振方向与所述太赫兹量子阱探测器对激光的偏振选择方向相平行。

本发明还提供一种采用如上述任一方案中所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置对太赫兹激光进行偏振调制调解的实现方法，其特征在于：所述实现方法包括步骤：

1)采用所述驱动电源给所述太赫兹量子级联激光器施加电压，使所述太赫兹量子级联激光器输出线偏振激光；

2)输出的所述线偏振激光经过所述第一离轴抛物面镜反射后改变成平行的线偏振激光，并被传输至所述线偏振激光调制器；

3)所述线偏振激光调制器将接收到的线偏振激光调制成线偏振强度周期性变化的线偏振激光；

4)线偏振强度周期性变化的线偏振激光经过所述第二离轴抛物面镜后会聚于所述太赫兹量子阱探测器上；

5)所述太赫兹量子阱探测器对周期变化的线偏振强度进行响应后形成相应变化的光电流信号；

6)所述电流放大器提取所述光电流信号，将所述光电流信号放大为相应变化的电压信号，并将所述电压信号传输至所述示波器予以显示和读取。

本发明提供太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法的有益效果为：本发明采用太赫兹激光的量子级联激光器作为理想的线偏振激光源，并利用太赫兹量子阱探测器对线偏振激光的选择特性，整个装置无需额外的起偏器和解偏器，装置的偏振消光比大于1000，使得采用这种偏振调制装置的通信系统具有优异的信噪比。此外，本发明装置利用太赫兹量子阱探测器的快速光响应特性，通过以一定的速度快速旋转线偏振片，将偏振方向的周期变化转化为偏振光信号随时间的变化，所用激光探测器具有快速响应特性，可充分满足偏振调制解调的速度，实现信号的快速调制解调，从而可以为太赫兹频段提供一种基于偏振调制解调的无线通信技术手段。

附图说明

图1显示为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的结构及光路示意图。

图2显示为本发明的太赫兹量子级联激光器激光输出示意图

图3显示为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置中太赫兹量子级联激光器输出激光经过线偏振片后到达热探测器上的激光功率随线偏振片角度的变化图。

图4显示为本发明的线偏振片构成示意图

图5显示为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置中太赫兹量子级联激光器归一化发射谱与太赫兹量子阱探测器归一化光电流谱的对比图。

图6显示为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置中太赫兹量子级联激光器输出激光经过线偏振片后到达太赫兹量子阱探测器上的激光功率随线偏振片角度的变化图。

图7显示为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的实现方法的流程示意图。

图8显示为本发明的太赫兹激光的偏振调制调解装置的实现方法中太赫兹量子阱探测器对线偏振片调制线偏振激光响应后随时间变化的信号波形。

元件标号说明

11 驱动电源

12 太赫兹量子级联激光器

121 器件衬底

122 器件脊条

123 出光端面

13 第一离轴抛物面镜

2 线偏振激光调制器

21 线偏振片

211 基底

212 衍射光栅

22 旋转座

23 驱动器

31 第二离轴抛物面镜

32 太赫兹量子阱探测器

33 电流放大器

34 示波器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种太赫兹激光的偏振调制调解装置，所述太赫兹激光的偏振调制调解装置至少包括：驱动电源11、太赫兹量子级联激光器12、第一离轴抛物面镜13、线偏振激光调制器2、第二离轴抛物面镜31、太赫兹量子阱探测器32、电流放大器33及示波器34；所述太赫兹量子级联激光器12与所述驱动电源11相连接，适于在所述驱动电源12的驱动信号下辐射出太赫兹线偏振激光；所述第一离轴抛物面镜13位于所述太赫兹量子级联激光器12的一侧，适于收集所述太赫兹量子级联激光器12发出的线偏振激光，并将收集的所述线偏振激光改变成平行的线偏振激光传输至所述线偏振激光调制器2；所述线偏振激光调制器2适于接收所述第一离轴抛物面镜13反射的平行的线偏振激光，并将接收的所述线偏振激光进行调制；所述第二离轴抛物面镜31适于收集所述线偏振激光调制器2调制后的线偏振激光，并将收集到的调制后的线偏振激光会聚于所述太赫兹量子阱探测器32的敏感面上；所述太赫兹量子阱探测器32适于接收所述第二离轴抛物面镜31会聚的调制后的线偏振激光，并产生相应的光电流信号；所述电流放大器33与所述太赫兹量子阱探测器32相连接，适于提取所述太赫兹量子阱探测器32产生的光电流信号，并将提取的光电流信号放大为电压信号输出；所述示波器34与所述电流放大器33相连接，适于接收并显示所述电流放大器33输出的放大电压信号。

作为示例，所述太赫兹量子级联激光器12为端面发射结构。所述太赫兹量子级联激光器12辐射出的太赫兹线偏振激光的偏振方向与所述太赫兹量子级联激光器12的厚度方向相同，本实施例中，如图2所示，所述太赫兹量子级联激光器12包括器件衬底121及位于所示器件衬底121表面的器件脊条122，所述太赫兹线偏振激光自所示器件脊条122的出光端面123辐射出，其传输方向如图2中的水平方向的箭头所示，所述太赫兹线偏振激光的偏振方向为竖直方向，如图2中竖直箭头所示。

作为示例，所述太赫兹量子级联激光器12的激射频率可以为2THz～5THz，优选地，本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器12的激射频率为2.9THz。图3所示为采用线偏振片与DTGS-FIR热探测器相结合测量得到的太赫兹量子级联激光器输出激光的线偏振特性曲线，由图3可知器件输出激光的偏振消光比为185。

作为示例，所述驱动电源11为直流电源，所述驱动电源11驱动所述太赫兹量子级联激光器12工作时，实际加载在所述太赫兹量子级联激光器12上的电压幅度为8V。

作为示例，所述线偏振激光调制器2包括线偏振片21、旋转座22及驱动器23；所述线偏振片21固定于所述旋转座22的表面；所述旋转座22与所述驱动器23相连接，适于在所述驱动器23驱动下带动所述线偏振片21旋转，以将接收到的线偏振激光调制为线偏振强度周期性变化的线偏振激光。在所述驱动器23的驱动下，所述线偏振片21随着所述旋转座22进行匀速旋转，对线偏振激光的线偏振强度进行调制，所述线偏振片21每旋转一周，经过所述线偏振片21的激光强度周期性变化2次，即线偏振激光强度变化的周期是所述线偏振片21旋转一周所需时间的一半。优选地，本实施例中，所述线偏振片21的旋转速度可以为但不仅限于10转/秒。

作为示例，所述线偏振片21的表面与所述第一离轴抛物面镜13反射的平行的线偏振激光的传播方向相垂直。

作为示例，所述线偏振片21包括基底211及位于所述基底211表面的衍射光栅212，如图4所示。所述基座可以为但不仅限于聚乙烯基座，所述衍射光栅可以为但不仅限于金属线形成的衍射光栅。

作为示例，所述旋转座22为圆形旋转盘，在所述驱动器23的驱动下，所述旋转座22的最大转速可达20转/秒。

作为示例，所述第二离轴抛物面镜31放置于所述太赫兹量子阱探测器32一侧，用于收集经过线偏振片21后的线偏振激光，并将其会聚于太赫兹量子阱探测器32的敏感面上。本实施例中，所述第二离轴抛物面镜31的有效焦距优选为127mm。

作为示例，所述太赫兹量子阱探测器32用于探测经线偏振片21调制后的线偏振激光，并产生随被调制线偏振激光强度变化的光电流。所述太赫兹量子阱探测器32的探测频率范围为2THz～7THz，优选的，本实施例中，所述太赫兹量子阱探测器32的峰值探测频率优选为3.2THz，其在2.9THz频点处的归一化响应幅度为0.22，如图5所示；图6所示为所述线偏振片21旋转半周时所述太赫兹量子阱探测器32对所述太赫兹量子级联激光器12输出激光的响应强度随所述线偏振片21偏振角度的变化，由图6可知，采用所述太赫兹量子阱探测器32进行探测的偏振消光比可达到1594。

作为示例，所述电流放大器33用于对所述太赫兹量子阱探测器32供电并将回路电流提取和放大为电压信号。所述电流放大器33为低噪声电流放大器，本实施例中使用的放大灵敏度可以为但不仅限于2μA/V，放大带宽可以为但不仅限于0.3Hz-100kHz。

所述示波器34与所述电流放大器33连接，用于对所述电压信号进行显示和读取。所述示波器34为数字示波器，包括至少两个可测量通道，作为示例，其参数包括4个可测量通道、500MHz测量带宽。

作为示例，所述太赫兹量子级联激光器12输出激光的偏振方向与所述太赫兹量子阱探测器32对激光的偏振选择方向相平行。

本发明装置中以所述太赫兹量子级联激光器12作为理想的线偏振激光源，并利用所述太赫兹量子阱探测器32对线偏振激光的选择特性，整个装置无需额外的起偏器和解偏器，装置的偏振消光比大于1000，使得采用这种偏振调制装置的通信系统具有优异的信噪比。

实施例二

请参阅图7，本发明还提供一种采用如实施例一中所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置对太赫兹激光进行偏振调制调解的实现方法，其特征在于：所述实现方法包括步骤：

1)将所述太赫兹量子级联激光器12输出激光偏振方向与所述太赫兹量子阱探测器32对激光的偏振选择方向保持平行，并放置于光路的发射端和接收端，本实施例中，二者的偏振方向均为竖直方向；采用所述驱动电源给所述太赫兹量子级联激光器施加稳定的8V直流偏压，使所述太赫兹量子级联激光器输出稳定的竖直方向的线偏振激光，所述线偏振激光的频率为2.9THz；

2)输出的所述线偏振激光经过所述第一离轴抛物面镜反射后改变成平行的线偏振激光，并被传输至包括线偏振片、旋转座及驱动器的所述线偏振激光调制器；

3)安装于所述旋转座22上的所述线偏振片21，在所述驱动器23的驱动下，所述旋转座22带动所述线偏振片21旋转，旋转的速度为10转/秒，将经过的线偏振太赫兹激光调制为线偏振强度以t＝50ms周期变化的太赫兹激光，实现了对太赫兹线偏振激光的偏振调制；

4)线偏振强度周期性变化的线偏振激光经过所述第二离轴抛物面镜后会聚于所述太赫兹量子阱探测器上；

5)所述太赫兹量子阱探测器在所述放大器供电-35mV的情况下对周期变化的线偏振强度进行响应后形成相应变化的光电流信号；

6)所述电流放大器提取所述光电流信号，将所述光电流信号通过跨阻放大为相应变化的电压信号，并将所述电压信号传输至所述示波器予以显示和读取，得到所述太赫兹量子阱探测器32以t＝50ms为周期的响应信号，如图8所示，从而实现了对调制太赫兹线偏振激光的解调。

本发明装置通过以一定的速度快速旋转线偏振片，将偏振方向的周期变化转化为偏振光信号随时间的变化，所用激光探测器具有快速响应特性，可充分满足偏振调制解调的速度，实现信号的快速调制解调，可以为太赫兹频段提供一种基于偏振调制解调的无线通信技术手段。

综上所述，本发明提供一种太赫兹激光的偏振调制调解装置及其实现方法，所述太赫兹激光的偏振调制调解装置包括：驱动电源、太赫兹量子级联激光器、第一离轴抛物面镜、线偏振激光调制器、第二离轴抛物面镜、太赫兹量子阱探测器、电流放大器及示波器；所述太赫兹量子级联激光器与所述驱动电源相连接，适于在所述驱动电源的驱动信号下辐射出太赫兹线偏振激光；所述第一离轴抛物面镜位于所述太赫兹量子级联激光器的一侧，适于收集所述太赫兹量子级联激光器发出的线偏振激光，并将收集的所述线偏振激光改变成平行的线偏振激光传输至所述线偏振激光调制器；所述线偏振激光调制器适于接收所述第一离轴抛物面镜反射的平行的线偏振激光，并将接收的所述线偏振激光进行调制；所述第二离轴抛物面镜适于收集所述线偏振激光调制器调制后的线偏振激光，并将收集到的调制后的线偏振激光会聚于所述太赫兹量子阱探测器的敏感面上；所述太赫兹量子阱探测器适于接收所述第二离轴抛物面镜会聚的调制后的线偏振激光，并产生相应的光电流信号；所述电流放大器与所述太赫兹量子阱探测器相连接，适于提取所述太赫兹量子阱探测器产生的光电流信号，并将提取的光电流信号放大为电压信号输出；所述示波器与所述电流放大器相连接，适于接收并显示所述电流放大器输出的放大电压信号。本发明采用太赫兹激光的量子级联激光器作为理想的线偏振激光源，并利用太赫兹量子阱探测器对线偏振激光的选择特性，整个装置无需额外的起偏器和解偏器，装置的偏振消光比大于1000，使得采用这种偏振调制装置的通信系统具有优异的信噪比。此外，本发明装置利用太赫兹量子阱探测器的快速光响应特性，通过以一定的速度快速旋转线偏振片，将偏振方向的周期变化转化为偏振光信号随时间的变化，所用激光探测器具有快速响应特性，可充分满足偏振调制解调的速度，实现信号的快速调制解调，从而可以为太赫兹频段提供一种基于偏振调制解调的无线通信技术手段。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于，所述太赫兹激光的偏振调制调解装置包括：驱动电源、太赫兹量子级联激光器、第一离轴抛物面镜、线偏振激光调制器、第二离轴抛物面镜、太赫兹量子阱探测器、电流放大器及示波器；

所述太赫兹量子级联激光器为端面发射结构，且所述太赫兹量子级联激光器与所述驱动电源相连接，适于在所述驱动电源的驱动信号下辐射出太赫兹线偏振激光；

所述第一离轴抛物面镜位于所述太赫兹量子级联激光器的一侧，适于收集所述太赫兹量子级联激光器发出的线偏振激光，并将收集的所述线偏振激光改变成平行的线偏振激光传输至所述线偏振激光调制器；

所述线偏振激光调制器包括线偏振片、旋转座及驱动器；所述线偏振片固定于所述旋转座的表面；所述旋转座与所述驱动器相连接，适于在所述驱动器驱动下带动所述线偏振片旋转；所述线偏振激光调制器适于接收所述第一离轴抛物面镜反射的平行的线偏振激光，并将接收的所述线偏振激光进行调制，以将接收到的线偏振激光调制为线偏振强度周期性变化的线偏振激光；

所述第二离轴抛物面镜适于收集所述线偏振激光调制器调制后的线偏振激光，并将收集到的调制后的线偏振激光会聚于所述太赫兹量子阱探测器的敏感面上；

所述太赫兹量子阱探测器适于接收所述第二离轴抛物面镜会聚的调制后的线偏振激光，并产生相应的光电流信号；

所述电流放大器与所述太赫兹量子阱探测器相连接，适于提取所述太赫兹量子阱探测器产生的光电流信号，并将提取的光电流信号放大为电压信号输出；

所述示波器与所述电流放大器相连接，适于接收并显示所述电流放大器输出的放大电压信号。

2.根据权利要求1所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为2THz～5THz。

3.根据权利要求1所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于：所述线偏振片包括基底及位于所述基底表面的衍射光栅。

4.根据权利要求3所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于：所述基底为聚乙烯基底，所述衍射光栅为金属线形成的衍射光栅。

5.根据权利要求1所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于：所述旋转座为圆形旋转盘，在所述驱动器的驱动下，所述旋转座的最大转速可达20转/秒。

6.根据权利要求1所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器的探测频率范围为2THz～7THz。

7.根据权利要求1所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器输出激光的偏振方向与所述太赫兹量子阱探测器对激光的偏振选择方向相平行。

8.一种采用如权利要求1至7中任一项所述的太赫兹激光的偏振调制调解装置对太赫兹激光进行偏振调制调解的实现方法，其特征在于：所述实现方法包括步骤：

1)采用所述驱动电源给所述太赫兹量子级联激光器施加电压，使所述太赫兹量子级联激光器输出线偏振激光；

2)输出的所述线偏振激光经过所述第一离轴抛物面镜反射后改变成平行的线偏振激光，并被传输至所述线偏振激光调制器；

3)所述线偏振激光调制器将接收到的线偏振激光调制成线偏振强度周期性变化的线偏振激光；

4)线偏振强度周期性变化的线偏振激光经过所述第二离轴抛物面镜后会聚于所述太赫兹量子阱探测器上；

5)所述太赫兹量子阱探测器对周期变化的线偏振强度进行响应后形成相应变化的光电流信号；

6)所述电流放大器提取所述光电流信号，将所述光电流信号放大为相应变化的电压信号，并将所述电压信号传输至所述示波器予以显示和读取。