CN105449494A - 基于波导结构的内调制太赫兹源及其内调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于波导结构的内调制太赫兹源及其内调制方法，包括依次设置的泵浦源、激光合束器、耦合器和波导结构，泵浦源由两个独立的光纤激光器构成，波导结构由从上到下依次设置的有机电光材料包层、铌酸锂芯层和石英衬底层通过光胶紧密贴合构成，有机电光材料包层内设置有控制电路，有机电光材料包层的外侧设置有楔形结构；通过控制电路来对有机电光材料包层的折射率进行调制，从而获得波导结构内调制太赫兹波输出，这样既实现了较高的芯层内能量转换效率，又能将产生的太赫兹能量高效耦合输出。可以实现高效率、结构简单紧凑的集成化光学可调制太赫兹辐射，适合于后续在无线通信、成像以及雷达等领域的应用研究。

Description

基于波导结构的内调制太赫兹源及其内调制方法

技术领域

本发明涉及太赫兹辐射源领域，更具体的说，是涉及一种基于波导结构的内调制太赫兹源及其内调制方法。

背景技术

太赫兹波段是指频率为0.1-10THz，介于微波和红外波之间的电磁波谱范围，具有携带信息容量大(相对于微波)、高时空相干性、低光子能量等特性，因此太赫兹波在无线通信、成像、雷达以及国防安全等领域呈现出非常广阔的应用前景。高性能太赫兹辐射源及其有效调制是实现太赫兹技术众多应用的基础，比如在通信、雷达等信号处理和材料控制上需要进行太赫兹波的调制等。目前，随着太赫兹科学技术的进步，以太赫兹辐射源和太赫兹功能器件(如调制器件)为代表的太赫兹关键技术及其应用得到了长足的发展，同时也遇到了发展的瓶颈，如太赫兹波的调制手段相对复杂、单一，太赫兹辐射源与功能器件不能实现有效集成，这些瓶颈极大的限制了太赫兹技术在无线通信、太赫兹成像以及雷达领域的应用。

基于电子学方法的返波管和固态电子学等辐射源，利用电调制的方式实现了225GHz的太赫兹雷达和300GHz的太赫兹通讯，由于受到电子学方法的限制，其工作频率一般在1THz以下，受到带宽的限制不能实现大容量的信息传输。基于半导体量子阱技术的量子级联激光器能够实现小型化的连续太赫兹输出，利用泵浦电流的调制实现了4.1THz和2.9THz的数字通讯，该种辐射源可以和调制器有效地集成在一起，真正的实现了集成化小型化的太赫兹应用，但由于量子级联激光器需要工作在低温下，这又增加了系统的复杂性。基于非线性光学方法的太赫兹源，就低成本、结构简单、室温运转等优点，在太赫兹应用甚广，由于转换效率低以及太赫兹波段非线性材料的缺乏，光学太赫兹辐射源的输出功率低，太赫兹调制方法大多局限在太赫兹辐射源的外腔调制方式，如基于液晶和VO₂的微结构相变材料，利用电、磁和光影响材料的特性来实现太赫兹波调制，这些调制方式一方面系统复杂，另一方面调制效率低，同时给光学太赫兹波应用系统的小型化和集成化带来困难。对于室温运转光学太赫兹辐射源在太赫兹通讯、成像和雷达应用具有很大的优势，当前需要解决的问题是如何获得高性能光学太赫兹产生以及实现集成化的有效调制。

发明内容

针对当前太赫兹波在无线通信、成像、雷达以及国防安全等领域对可调制连续太赫兹辐射源的应用需求，本发明专利的目的在于提供一种基于波导结构Cherenkov相位匹配的内调制太赫兹辐射源及其内调制方法，采用该方法可以控制波导结构中有机电光材料包层的折射率实现太赫兹耦合输出的调制，获得波导结构内调制太赫兹波输出，实现高效率、结构简单紧凑的集成化光学可调制太赫兹辐射，并且能够在室温下稳定运转，本发明突破高效光波导太赫兹波的高效频率转换以及太赫兹波导耦合调制的关键技术，最终实现高效率、结构简单紧凑的集成化光学可调制太赫兹辐射，促进太赫兹在无线通信、成像以及雷达等领域的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于波导结构的内调制太赫兹源，包括依次设置的泵浦源、激光合束器、耦合器和波导结构，所述泵浦源由输出波长分别为1.9um和1.9-2um的两个独立的光纤激光器构成，所述波导结构由从上到下依次设置的有机电光材料包层、铌酸锂芯层和石英衬底层通过光胶紧密贴合构成，所述有机电光材料包层内设置有控制电路，有机电光材料包层的外侧设置有楔形结构；所述光纤激光器输出的激光通过激光合束器合束后形成有双波长激光，双波长激光通过耦合器耦合后进入波导结构的铌酸锂芯层，双波长激光在波导结构中差频产生太赫兹波并从楔形结构输出。

所述光纤激光器采用掺铥锗酸盐作为增益介质，并利用Bragg光栅选模实现波长调谐，再通过功率放大后实现50-100W的输出功率。

所述耦合器由光纤输出聚焦镜构成，所述光纤输出聚焦镜对1.8-2.3um波长泵浦光的透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22。

所述楔形结构与铌酸锂芯层的夹角为35°-45°。

根据权利要求1所述的基于波导结构的内调制太赫兹源的内调制方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过控制电路控制电压将有机电光材料的折射率控制在≤2.2，以减少太赫兹泄露系数；

(2)在泄漏系数接近于0的情况下实现铌酸锂芯层内的高效能量转换，以供积累太赫兹能量；

(3)通过控制电路对有机电光材料给出一个快速的加压或降压信号，利用电压变化使有机电光材料的折射率变化，增大泄露系数至1700cm^-1，将铌酸锂芯层内积累的太赫兹能量全部耦合输出，实现了对太赫兹能量的调制。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.泵浦源使用高功率的单频光纤激光器，充分利用其高光束质量和窄线宽的优点，可以实现泵浦光向波导结构中铌酸锂芯层的高效耦合，获得很高的有效泵浦强度，提高差频转换效率，并保证太赫兹源的窄线宽。

2.波导结构由从上到下依次设置的有机电光材料包层、铌酸锂芯层和石英衬底层通过光胶紧密贴合构成，根据铌酸锂芯层和有机电光材料包层材料的色散特性，经耦合器传来的双波长激光可以在平板波导中差频产生太赫兹波，随后太赫兹波以辐射模形式传输，不仅可以自动满足与泵浦光纵向传输常数的匹配(也就是Cherenkov型相位匹配)，同时经过有机电光材料包层实现侧向耦合输出，实现了Cherenkov相位匹配、波导结构和级联效应相结合的效果，充分发挥波导结构自动满足相位匹配、有效距离长和耦合效率高等优点，保证级联的高效性，打破差频效率的量子极限，实现量子效率、耦合效率和输出功率的全面提高。

3.波导结构中使用有机电光材料作为包层，利用其吸收损耗和高电光系数的优点，并可以根据需要进行合成。

4.可通过对有机电光材料包层材料的折射率调制来改变泄露系数，既能同时获得较高的芯层内能量转换效率和太赫兹耦合输出效率，从而提高输出功率，又能实现太赫兹的调制。

5.该辐射源的整体更加紧凑，易于实现小型化、全固化，并能够在室温下稳定运转，最终实现可以进行内调制的太赫兹波输出，可广泛应用于无线通信、成像以及雷达等领域。

附图说明

图1是本发明太赫兹辐射源的整体结构示意图。

图2是本发明的波导结构差频产生太赫兹辐射的示意图。

附图标记：1-泵浦源2-泵浦源3-激光合束器4-耦合器5-波导结构50-有机电光材料包层51-铌酸锂芯层52-石英衬底层53-控制电路

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，如图1和图2所示：

基于波导结构的内调制太赫兹源，包括泵浦源1、泵浦源2、激光合束器3、耦合器4和波导结构5，泵浦源1和泵浦源2均采用高功率的单频光纤激光器，单频光纤激光器具有窄线宽和高光束质量的优点，可以实现泵浦光向波导芯层的高效耦合，并保证太赫兹辐射源的窄线宽。所使用的激光器为掺铥锗酸盐光纤激光器，利用光纤Bragg光栅选模，通过调整该光栅实现波长调谐，再经过功率放大，可以实现50-100W的输出功率。本实施例中的泵浦源1、2分别由两个独立的光纤激光器组成，其中一个固定输出波长1.9um，另一个输出1.9-2um的可变波长。激光合束器3可以将两束独立的光纤激光合成一束形成双波长激光光束，由输出端输出。耦合器4采用光纤输出聚焦镜，所述光纤输出聚焦镜的聚焦镜倍率为1:0.5，对1.8-2.3um波长泵浦光的透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22。由于光纤激光器对泵浦耦合效率要求较高，使用光纤输出聚焦镜对输出的连续激光进行聚焦、扩束，然后将泵浦光耦合入射到波导结构5，可以实现高效耦合。

波导结构5采用“三明治”型平板波导，波导结构5由从上到下依次设置的有机电光材料包层50、铌酸锂芯层51和石英衬底层52通过光胶紧密贴合构成，有机电光材料包层50的外侧设置有楔形结构，楔形结构与铌酸锂芯层51的夹角为35°-45°，有机电光材料包层内设置有控制电路53，有机电光材料的属性决定了其调制性能，控制电路53用于实现太赫兹波的可控调制，铌酸锂芯层51用于产生级联效应，根据铌酸锂芯层51和有机电光材料的色散特性，使波导结构5中产生太赫兹波，随后太赫兹波以辐射模形式传输，不仅可以自动满足与泵浦源1、2所发射的泵浦光在纵向传输常数的匹配(即Cherenkov型相位匹配)，同时经过楔形结构实现侧向的耦合输出。

本发明基于波导结构的内调制太赫兹源的具体工作原理如下：

由泵浦源1输出波长为1.9um的连续激光，泵浦源2输出波长为1.9-2um的可调谐激光，温度控制在25℃，将由两个独立光纤激光器的输出激光通过激光合束器3合束后形成2um差频的双波长激光，耦合器4将双波长激光高效率的注入到波导结构5，双波长激光经过准直聚焦后注入到波导结构5的铌酸锂芯层51中，双波长激光会在铌酸锂芯层51中差频产生太赫兹波，由于铌酸锂芯层51和有机电光材料包层50的色散特性，太赫兹波在波导结构5中以辐射模形式传播，不仅可以自动满足与泵浦源所发射泵浦光的匹配(即Cherenkov型相位匹配)，同时可以在有机电光材料包层50侧向的楔形结构上耦合输出。石英衬底层52可以使得太赫兹波在铌酸锂芯层51和石英衬底层52之间的界面上发生全反射，从而增强另一侧铌酸锂芯层51和有机电光材料包层50界面的耦合输出功率，使用控制电路53对波导结构5的有机电光材料包层50进行调制，以此来改变有机电光材料包层50的折射率。

本发明中，为了实现内调制太赫兹辐射，可以采用对有机电光材料包层50内的电压调制方法来实现内调制输出，该方法如下：

(1)通过控制电路53控制电压将有机电光材料的折射率控制在≤2.2，以减少太赫兹泄露系数；

(2)在泄漏系数接近于0的情况下实现铌酸锂芯层51内的高效能量转换，保持铌酸锂芯层51内较高的太赫兹强度和频率转换效率，以供积累太赫兹能量；

(3)通过控制电路53对有机电光材料给出一个快速的加压或降压信号，利用电压变化使有机电光材料的折射率变化，增大泄露系数至1700cm^-1，将铌酸锂芯层51内积累的太赫兹能量全部耦合输出，实现了对太赫兹能量的调制。

通过这种方法不仅可以获得较高的输出能量，还实现控制太赫兹能量输出的功能。

Claims (5)

1.基于波导结构的内调制太赫兹源，其特征在于，包括依次设置的泵浦源、激光合束器、耦合器和波导结构，所述泵浦源由输出波长分别为1.9um和1.9-2um的两个独立的光纤激光器构成，所述波导结构由从上到下依次设置的有机电光材料包层、铌酸锂芯层和石英衬底层通过光胶紧密贴合构成，所述有机电光材料包层内设置有控制电路，有机电光材料包层的外侧设置有楔形结构；所述光纤激光器输出的激光通过激光合束器合束后形成有双波长激光，双波长激光通过耦合器耦合后进入波导结构的铌酸锂芯层，双波长激光在波导结构中差频产生太赫兹波并从楔形结构输出。

2.根据权利要求1所述的基于波导结构的内调制太赫兹源，其特征在于，所述光纤激光器采用掺铥锗酸盐作为增益介质，并利用Bragg光栅选模实现波长调谐，通过功率放大后实现50-100W的输出功率。

3.根据权利要求1所述的基于波导结构的内调制太赫兹源，其特征在于，所述耦合器由光纤输出聚焦镜构成，所述光纤输出聚焦镜对1.8-2.3um波长泵浦光的透过率>95％，工作距离为30mm，数值孔径为0.22。

4.根据权利要求1所述的基于波导结构的内调制太赫兹源，其特征在于，所述楔形结构与铌酸锂芯层的夹角为35°-45°。

5.根据权利要求1所述的基于波导结构的内调制太赫兹源的内调制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过控制电路控制电压将有机电光材料的折射率控制在≤2.2，以减少太赫兹泄露系数；

(2)在泄漏系数接近于0的情况下实现铌酸锂芯层内的高效能量转换，以供积累太赫兹能量；

(3)通过控制电路对有机电光材料给出一个快速的加压或降压信号，利用电压变化使有机电光材料的折射率变化，增大泄露系数至1700cm^-1，将铌酸锂芯层内积累的太赫兹能量全部耦合输出，实现了对太赫兹能量的调制。