CN115000784A - 一种太赫兹波产生装置及产生方法 - Google Patents

一种太赫兹波产生装置及产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波产生装置及产生方法，公开的装置包括锁模激光器、光路耦合器和多波混频装置，锁模激光器与多波混频装置通过光路耦合器耦合连接，锁模激光器作为光频梳源产生一系列相干的等间距光频梳，光路耦合器将锁模激光器产生的等间距光频梳耦合至多波混频装置中，多波混频装置将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。所述太赫兹波产生装置结构简单，在常温下也可以工作，可以高效且可靠的产生太赫兹波。

Description

一种太赫兹波产生装置及产生方法
技术领域
本发明主要涉及太赫兹波技术领域，具体地说，涉及一种太赫兹波的产生装置及产生方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz—10THz波段内的电磁波，其频段位于红外和微波之间，处于宏观电子学与微观光子学的过渡区。太赫兹波信号具有独特的高穿透、高带宽、低光子能量、优异的光谱分辨能力等特点，在成像、雷达、安全检测及高速通信领域均有重要的研究价值和广泛的应用前景。太赫兹技术的发展逐渐填补了曾经的“太赫兹空隙”，进一步推动了太赫兹在各个领域的应用。然而，目前的太赫兹波段仍缺乏高效的太赫兹波源、灵敏的太赫兹探测器及相关调节元器件。这极大程度地限制了太赫兹波的进一步应用，导致其丰富的频谱未被充分的开发。而可靠且高效的太赫兹波源在整个太赫兹技术研究中占据至关重要的位置，是该领域的研究热点。
目前市面上存在的基于光子学技术的太赫兹辐射源主要为量子级联激光器、气体激光器和自由电子激光器，它们存在以下缺点：
1.通常需要在低温环境下工作；
2.产生太赫兹波的装置结构复杂，成本高；
3.输出功率有限。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种太赫兹波产生装置以及产生方法，以解决现有产生太赫兹波的装置结构复杂，需要在低温下工作且输出功率有限的缺点。
本发明中的太赫兹波产生装置，包括锁模激光器、光路耦合器和多波混频装置，所述锁模激光器与所述多波混频装置通过所述光路耦合器耦合连接，锁模激光器，作为光频梳源产生一系列相干的等间距光频梳；光路耦合器，将锁模激光器产生的等间距光频梳耦合至多波混频装置中；多波混频装置，用于将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
优选地，所述锁模激光器由量子点材料设计而成，其能产生100GHz及以上的重频。
优选地，所述锁模激光器为超高频光学频率梳量子点锁模激光器，所述超高频光学频率梳量子点锁模激光器是采用GaAs衬底或硅基GaAs衬底制成。
优选地，所述多波混频装置包括一个微环谐振器，所述微环谐振器与所述锁模激光器通过所述光路耦合器耦合连接，所述微环谐振器用于将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
优选地，所述多波混频装置包括两个微环谐振器和一个Y形波导，所述两个微环谐振器的输入端分别和所述光路耦合器耦合连接，输出端分别和所述Y形波导的输入端光路连接，所述两个微环谐振器用于从光学频率梳中过滤出所需的不同频率的备选光频，所述Y形波导将输入的不同频率的备选光频进行混合，输出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
优选地，所述微环谐振器的半径为：
Figure 195398DEST_PATH_IMAGE001
其中，r为微环谐振器的半径,FSR为微环谐振器的自由空间射程，
Figure 687559DEST_PATH_IMAGE002
为制造微环谐振器的材料反射系数，
Figure 991502DEST_PATH_IMAGE003
为目标光的波长。
优选地，所述微环谐振器或Y形波导由氮化硅(SiNx)或硅基SOI材料制成。
本发明中的太赫兹波产生装置包括锁模激光器、光路耦合器以及多波混频装置，首先锁模激光器作为光频梳源产生一系列相干的等间距且基础重复频率大于或等于100GHz的光频梳，接着通过光路耦合器将锁模激光器产生的等间距光频梳耦合至多波混频装置中，然后通过多波混频装置将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，最后通过多波混频技术将得到的目标光频进行拍频以产生太赫兹波。上述太赫兹波产生装置结构简单，成本低，在常温下也可以工作，可以高效且可靠地产生太赫兹波，从而促进太赫兹技术的发展与应用。
本发明的另一个方面，还提供一种太赫兹波产生方法，使用上述的太赫兹波产生装置，该方法包括如下步骤：
S1.使用锁模激光器产生基础重复频率大于或等于100GHz的光频梳；
S2.将得到的光频梳通过光路耦合器耦合到多波混频装置中过滤，筛选出目标光频；
S3.通过多波混频技术将得到的目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
优选地，所述步骤S2包括：
S21.将得到的光频梳通过光路耦合器耦合到多波混频装置中的微环谐振器中过滤，筛选出目标光频；
或，所述步骤S2包括：
S22.将得到的光频梳通过光路耦合器耦合到多波混频装置中的两个微环谐振器中过滤，筛选出备选光频；
S23.将备选光频通过Y形波导进行混频，得到目标光频。
优选地，所述步骤S2中将得到的光频梳通过光路耦合器耦合，所述耦合方式具体为混合集成。
优选地，所述混合集成具体为透镜耦合或光纤耦合。
上述太赫兹波产生方法简单便捷，可以在常温下高效且可靠地产生太赫兹波，从而促进太赫兹技术的发展与应用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例的太赫兹波产生装置的示意图；
图2是本发明一实施例中的多波混频装置包括一个微环谐振器时的光路搭接示意图；
图3是本发明一实施例中多波混频装置包括两个微环谐振器和一个Y形波导时的光路搭接示意图；
图4是本发明一实施例中多波混频装置包括两个微环谐振器和一个Y形波导时的另一种光路搭接示意图；
图5是本发明一实施例的太赫兹波产生装置图；
图6是本发明一实施例所用的半导体量子点锁模激光器的光谱图；
图7是本发明一实施例的太赫兹波产生流程图。
附图标记说明：
锁模激光器-1 光路耦合器-2
多波混频装置-3 微环谐振器-31，32，33
Y形波导-34。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参考图1，图1所示是本发明一实施例的太赫兹波产生装置的示意图。
该实施例的太赫兹波产生装置包括锁模激光器1、光路耦合器2以及多波混频装置3，所述锁模激光器1与所述多波混频装置3通过所述光路耦合器2耦合连接。通过使用锁模激光器1，可以使激光器内不同纵模之间相位锁定，能在其发出的光频域里得到一系列等间距、相干的频梳，也就是不同的波长，即光频梳。而相邻光梳之间的频率间隔可以通过设计来改变；光路耦合器2将锁模激光器产生的等间距光频梳耦合至多波混频装置3中；多波混频装置3用于将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
进一步地，所述锁模激光器1由量子点材料设计而成，其能产生100GHz及以上的重频。
激光器采用量子点材料制成，由于量子点材料具有宽谱源、高增益的特性，高增益可以保证激光器具有较高的功率，在此条件下，将激光器设计成较短的腔长，就能达到较高的重频率；另外，通过将量子点材料设计成啁啾结构或者量子阱/量子点混合结构，使激光器具有宽谱源，宽谱源可以保证在3dB的光谱内拥有足够多的光频梳数量，从而至少有一组光频梳之间有1个THz级别的间距。其中，啁啾结构主要是通过调整有源区每一层量子点的发射波长来实现增益谱的展宽，从而达到宽谱源激光器的要求；量子阱/量子点混合结构则是通过在标准量子点或啁啾量子点的基础上引入一层额外的量子阱材料，使其能带间隙正好对应量子点材料第一激发态的能级，从而保证激光器光源可以涵盖较宽的激射波段。此外，量子点材料独特的温度不敏感特性使得该太赫兹产生装置在室温下也可以正常工作。
进一步地，所述锁模激光器1是采用GaAs衬底或硅基GaAs衬底制成的超高频光学频率梳量子点锁模激光器。
锁模激光器1采用GaAs衬底或硅基GaAs衬底制成，尤其是采用硅基GaAs衬底制成的锁模激光器，可被集成于传统光电功能器件以及集成化太赫兹系统中。
参考图2，图2为本发明另一实施例中的多波混频装置包括一个微环谐振器时的光路搭接示意图。
该实施例中的多波混频装置3包括一个微环谐振器31，所述微环谐振器31与所述锁模激光器1通过所述光路耦合器2耦合连接，所述微环谐振器31用于将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
参考图3和图4，图3是本发明另一实施例中多波混频装置包括两个微环谐振器和一个Y形波导时的光路搭接示意图；图4是本发明另一实施例中多波混频装置包括两个微环谐振器和一个Y形波导时的另一种光路搭接示意图。
所述多波混频装置3包括两个微环谐振器32,33和一个Y形波导34，所述两个微环谐振器32,33的输入端分别和所述光路耦合器耦合连接，输出端分别和所述Y形波导34的输入端光路连接。所述两个微环谐振器32,33用于从光学频率梳中过滤出所需的不同频率的备选光频，所述Y形波导34将输入的不同频率的备选光频进行混合，输出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
多波混频装置3可以精准滤出所需的光频，这主要是由于不同半径的微环谐振器可以过滤出不同的光学频率。微环谐振器的半径直接决定该器件对应的FSR（FreeSpectral Range，自由空间射程），即所滤出的光通信通道之间的频率间隔，因此多波混频装置3可以为一个FSR在THz级别的微环谐振器31，也可以为两个FSR相差在THz级别的微环谐振器32,33和一个Y形波导34。另外，微环谐振器的半径大小还可以通过注入电流或者加热的方式进行微调整，以此来实现对过滤光学频率的微调整。
进一步地，所述微环谐振器31,32,33的半径通过如下计算方式得到：
Figure 63363DEST_PATH_IMAGE001
其中，r为微环谐振器的半径,FSR为微环谐振器的自由空间射程，
Figure 441255DEST_PATH_IMAGE002
为制造微环谐振器的材料反射系数，
Figure 573159DEST_PATH_IMAGE003
为目标光的波长，即期望滤出来的光的波长。
参考图5，图5为一实施例中的太赫兹波产生装置示意图，其中的多波混频装置选用图3的光路搭接方式。
该实施例的太赫兹波产生装置包括锁模激光器1、光路耦合器2、两个微环谐振器32,33和一个Y形波导34，所述光路耦合器2一端与所述锁模激光器1耦合连接，另一端与所述两个微环谐振器32,33的输入端耦合连接，所述两个微环谐振器32,33的输出端分别和所述Y形波导34的输入端光路连接。所述锁模激光器1用于产生基础重复频率大于或等于100GHz的光频梳，所述两个微环谐振器32,33用于从光学频率梳中过滤出所需的不同频率的备选光频，所述Y形波导34将输入的不同频率的备选光频进行混合，输出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
参考图6，图6为本发明一实施例中所用的半导体量子点锁模激光器的光谱图。
使用Apex公司的AQ6370D光示波器测量得出超高频光频梳的量子点锁模激光器的光谱图，图中横坐标为波长，纵坐标为功率。测量得到的数据为：
Figure 161135DEST_PATH_IMAGE004
=1290.36nm,
Figure 36687DEST_PATH_IMAGE005
=1290.92nm,相邻两个波长之间的间隔为0.56nm。
将上述数据代入下面的公式，可以计算得出对应的重复频率值：
Figure 269085DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 837470DEST_PATH_IMAGE007
为相邻两个波长间隔，
Figure 113075DEST_PATH_IMAGE008
为光传播速度，
Figure 792318DEST_PATH_IMAGE009
分别为相邻两个波长。
由上述公式可以计算得出，相邻波长之间间隔为0.56 nm时对应100GHz的重复频率，实现了本发明中所用的宽谱源、高增益量子点锁模激光器可以产生高达100GHz重频率的光学频率梳这一技术要求。在此基础上，如果要得到太赫兹波（1THz），得到的光频梳至少要11个齿，即10个100GHz。
进一步地，所述微环谐振器31,32,33和Y形波导34由氮化硅(SiNx)或硅基SOI材料制成。
本发明中的太赫兹波产生装置包括锁模激光器、光路耦合器以及多波混频装置，首先锁模激光器作为光频梳源产生一系列相干的等间距且基础重复频率大于或等于100GHz的光频梳，接着通过光路耦合器将锁模激光器产生的等间距光频梳耦合至多波混频装置中，然后通过多波混频装置将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，最后通过多波混频技术将得到的目标光频进行拍频以产生太赫兹波。上述太赫兹波产生装置结构简单，成本低，在常温下也可以工作，可以高效且可靠地产生太赫兹波，从而促进太赫兹技术的发展与应用。
参见图7，图7为一实施例中太赫兹波产生流程图。
一种太赫兹波产生方法，使用上述的太赫兹波产生装置，所述方法包括如下步骤：
S1.使用锁模激光器产生基础重复频率大于或等于100GHz的光频梳；
S2.将得到的光频梳通过光路耦合器耦合到多波混频装置中过滤，筛选出目标光频；
S3.通过多波混频技术将得到的目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
上述太赫兹波产生方法简单便捷，可以在常温下高效且可靠地产生太赫兹波，从而促进太赫兹技术的发展与应用。
在一个实施例中，所述步骤S2包括：
S21.将得到的光频梳通过光路耦合器2耦合到多波混频装置3中的微环谐振器31中过滤，筛选出目标光频；
或，所述步骤S2包括：
S22.将得到的光频梳通过光路耦合器2耦合到多波混频装置3中的两个微环谐振器32,33中过滤，筛选出备选光频；
S23.将备选光频通过Y形波导34进行混频，得到目标光频。
在另一个实施例中，所述步骤S2中将得到的光频梳通过光路耦合器耦合，所述耦合方式具体为混合集成，此时，混合集成可以为透镜耦合、光纤耦合或端面耦合。
锁模激光器产生的稳定的光信号可通过混合集成或单片集成的方式耦合到多波混频装置中，这两种集成方式均可通过端面耦合的方式进行光频传输。若采用混合集成方式耦合，还可采用透镜耦合或光纤耦合的方式，以更高效的实现光频传输。
以上对本发明所提供的一种太赫兹波产生装置和产生方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种太赫兹波产生装置，其特征在于，包括锁模激光器（1）、光路耦合器（2）和多波混频装置（3），所述锁模激光器（1）与所述多波混频装置（3）通过所述光路耦合器（2）耦合连接，
锁模激光器（1），作为光频梳源产生一系列相干的等间距光频梳；
光路耦合器（2），将锁模激光器产生的等间距光频梳耦合至多波混频装置中；
多波混频装置（3），用于将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
2.如权利要求1所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述锁模激光器（1）由量子点材料设计而成，其能产生100GHz及以上的重频。
3.如权利要求2所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述锁模激光器（1）为超高频光学频率梳量子点锁模激光器，所述超高频光学频率梳量子点锁模激光器是采用GaAs衬底或硅基GaAs衬底制成。
4.如权利要求3所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述多波混频装置（3）包括一个微环谐振器，所述微环谐振器与所述锁模激光器（1）通过所述光路耦合器（2）耦合连接，所述微环谐振器用于将输入的等间距光频梳进行过滤，筛选出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
5.如权利要求3所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述多波混频装置（3）包括两个微环谐振器和一个Y形波导（34），所述两个微环谐振器的输入端分别和所述光路耦合器（2）耦合连接，输出端分别和所述Y形波导（34）的输入端光路连接，所述两个微环谐振器用于从光学频率梳中过滤出所需的不同频率的备选光频，所述Y形波导（34）将输入的不同频率的备选光频进行混合，输出目标光频，使用多波混频技术对目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
6.如权利要求4或5任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述微环谐振器的半径为：
Figure 780651DEST_PATH_IMAGE001
其中，r为微环谐振器的半径,FSR为微环谐振器的自由空间射程，
Figure 519937DEST_PATH_IMAGE002
为制造微环谐振器的材料反射系数，
Figure 426713DEST_PATH_IMAGE003
为目标光的波长。
7.如权利要求4或5任一项所述的太赫兹波产生装置，其特征在于，所述微环谐振器或Y形波导（34）由氮化硅(SiNx)或硅基SOI材料制成。
8.一种太赫兹波产生方法，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述的太赫兹波产生装置，所述方法包括如下步骤：
S1.使用锁模激光器（1）产生基础重复频率大于或等于100GHz的光频梳；
S2.将得到的光频梳通过光路耦合器（2）耦合到多波混频装置（3）中过滤，筛选出目标光频；
S3.通过多波混频技术将得到的目标光频进行拍频以产生太赫兹波。
9.如权利要求8所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21.将得到的光频梳通过光路耦合器（2）耦合到多波混频装置（3）中的微环谐振器中过滤，筛选出目标光频；
或，所述步骤S2包括：
S22.将得到的光频梳通过光路耦合器（2）耦合到多波混频装置（3）中的两个微环谐振器中过滤，筛选出备选光频；
S23.将备选光频通过Y形波导（34）进行混频，得到目标光频。
10.如权利要求8所述的太赫兹波产生方法，其特征在于，所述步骤S2中将得到的光频梳通过光路耦合器耦合，所述耦合方式具体为混合集成。
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