CN115380483B - 用于毫米波信号的上转换和已上转换信号的检测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

通过输入光束组合器将在光频率VOPT处的线性偏振上转换光信号和在频率VGHz处的传播输入信号进行组合，以通过非线性光学介质进行共同传播，并在频率和VSUM＝VOPT+VGHz或者频率差VDIFF＝VOPT‑VGHz的一个或两个处产生多个已上转换光信号。正交偏振的上转换光信号和已上转换光信号通过偏振器分离，已上转换光信号通过滤光器优先传输到检测系统。输入信号被调制以对已传输信息进行编码，并将该调制传递到已上转换光信号上。该检测系统包括一个或多个光电检测器，接收已上转换光信号，并从中产生被调制以对已传输信息进行编码的电信号。

Description

用于毫米波信号的上转换和已上转换信号的检测的装置和 方法
优先权声明
本公开要求申请号为63/004,711，申请名称为“用于毫米波信号的上转换和已上转换信号的检测的装置和方法”，申请日为2020年4月3日，以Vladimir G.Kozlov的名义申请的美国专利申请的优先权，该美国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开的领域涉及电磁信号的检测。特别地，公开了用于毫米波信号的上转换和已上转换信号的检测的装置和方法。
发明内容
本公开的装置包括连续波上转换激光源、输入光束组合器、非线性光学介质、线性偏振器、光谱选择性滤光器和检测系统。连续波上转换激光源产生由上转换光频率VOPT表征的线性偏振上转换光信号。上转换光信号和传播输入信号分别入射到输入光束组合器上，输入光束组合器将该上转换光信号和该传播输入信号进行组合，以从输入光束组合器共同传播出去。所述输入信号是由千兆赫兹输入信号频率VGHz表征的，并且被调制以对已传输信息进行编码。组合的上转换光信号和输入信号通过非线性光学介质共同传播，并在频率和VSUM＝VOPT+VGHz或者频率差VDIFF＝VOPT-VGHz的一个或两个处产生一个或多个已上转换光信号。一个(或多个)已上转换光信号与上转换光信号共同传播，并且与上转换光信号的偏振基本正交地线性偏振。线性偏振器将上转换光信号的传播与一个(或多个)已上转换光信号的传播分离。相对于基本平行于一个(或多个)已上转换光信号的偏振而线性偏振的上转换光信号的共同传播的剩余部分的传输，光谱选择性滤光器对一个(或多个)已分离的已上转换光信号中的至少一个进行优先传输。包括一个或多个光电检测器的检测系统接收由滤光器发送的一个(或多个)已上转换光信号，并且从中生成一个或多个电信号。所产生的电信号包括被调制以对已传输信息进行编码的至少部分。
在一些示例中，检测系统通过一个或多个光电检测器对一个(或多个)已上转换光信号直接检测来进行操作。在一些示例中，检测系统包括产生本振光信号的连续波本振激光源，本振光信号是由本振光频率VLO＝VSUM或VLO＝VDIFF表征的。在这样的示例中，在以内差或零差设置的多个光电检测器中的一个或多个上，检测系统将已上转换光信号和本振光信号进行组合以产生电信号，电信号被调制以对已传输信息进行编码。在一些示例中，在以外差设置的多个光电检测器中的一个或多个上，检测系统将已上转换光信号和剩余上转换光信号进行组合以产生电信号，电信号被调制以对已传输信息进行编码。
在参考附图中所示并在以下书面描述或所附权利要求中公开的示例性实施例时，与毫米波上转换和检测相关的目的和优点可能变得明显。
提供该发明内容是为了以简化的形式介绍一系列的概念，这些概念会在下面的具体实施方式中进行进一步的描述。本公开内容的目的不是确定所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不是帮助确定所要求的主题的范围。
附图说明
图1是本公开接收机的功能性框图。
图2、3和4是本公开接收机的三个示例性实施例的示意图。
图5是本公开接收机的一些示例中采用的示例性相干检测设置的示意图。
所描述的实施例仅是示意性地示出；所有特征可能没有全部详细或以适当的比例显示；为了清楚起见，某些特征或结构相对于其他特征或结构可能被扩大或缩小，或完全省略；除非明确指出附图是按比例绘制的，否则不应将其视为按比例绘制。特别地，为了清楚起见，在附图中用并排箭头表示共同传播或反向传播信号，即使这些信号通常不会彼此横向移位。所示出的实施例只是示例，并且不应被解释为限制本公开或所附权利要求的范围。
具体实施方式
无线通信协议正在不断发展和扩展，以满足对语音、音频、视频和数据传输的速度和容量的日益增长的需求。与天线(例如，蜂窝塔或基站)的所谓前程和后程连接的很大一部分是使用电磁频谱的毫米波区域(也被国际电信联盟(InternationalTelecommunication Union，ITU)称为极高频(extremely high frequency，EHF)，介于30千兆赫兹(GHz)和300GHz之间)中的无线传输来提供的。传统的毫米波接收机通常只能容纳高达约10千兆位每秒(Gbps)或20Gbps的数据速率和100GHz以下的载波频率。需要在频谱的毫米波部分中操作的高速接收机，该高速接收机可以在高于100GHz的载波频率下操作，或者可以适应数百Gbps或更多的数据传输速率。
图1示出了本公开装置10(即，高速毫米波接收机10)的功能性框图；图2至图4示意性地示出了几个示例性实施例。本公开的接收机10包括上转换激光源101、输入光束组合器105、非线性光学介质(NLO介质)108、线性偏振器112、光谱选择性滤光器117和检测系统200。本公开的接收机10被设置为用于将传播的毫米波输入信号99上转换到可见光或红外光频率，然后检测所得到的已上转换光信号97。输入信号99被调制以对已传输信息进行编码，并且所得到的已上转换光信号97也被调制以对已传输信息进行编码，从而使得能够对已上转换光信号97进行后续解调，并且对通过输入信号99的调制而编码的已传输信息进行解码。
输入信号99是由电磁频谱的毫米波区域中的千兆赫兹输入信号频率VGHz(即，载波频率)表征的。输入信号频率VGHz通常是在约3.0×1010Hz到约3.0×1011Hz之间(即，约30至300GHz之间)的。在某些示例中，输入信号频率VGHz是在约5.0×1010Hz到约1.0×1011Hz之间(即，约50至100GHz之间)的。在一些示例中，输入信号99是由输入信号带宽VGHz表征的，所述输入信号带宽VGHz小于约1.0×1011Hz、小于约1.0×1010Hz、或小于约1.0×109Hz。输入信号带宽VGHz通常应足够大，从而使得以所需的数据传输速率传输信息。输入信号功率可以广泛地变化。在一些示例中，输入信号99的输入信号功率PGHz可以小于约100瓦(W)、小于约10W、小于约1.0W、小于约0.10W、小于约0.010W、小于约0.0010W、或小于约0.00010W。本公开的毫米波接收机10可以在较低的输入信号功率PGHz下运作，可以表现出较高的检测灵敏度，这通常是所期望的。更高的检测灵敏度反过来可以实现更远距离的传输或更低功率的发射机的使用。
传播输入信号99被调制以对已传输信息进行编码；该信息可以是任何适合的类型，例如，语音或其他音频、视频或数据。该调制可以是根据任意合适的模拟或数字调制方案，包括例如脉冲幅度调制(pulse amplitude modulation，PAM)、正交幅度调制(quadrature amplitude modulation，QAM)、脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)、脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、相移键控(phase-shift keying，PSK)、幅移键控、或其他合适的模拟或数字调制方案。在一些示例中，调制可以对以大于约10Gbps、大于约50Gbps、大于约100Gbps、大于约200Gbps或大于约500Gbps的数据速率传输的信息进行编码。
连续波上转换激光源101产生由上转换光频率VOPT表征的线性偏振上转换光信号98，其通常在电磁频谱的可见或红外区域中。在一些示例中，上转换光频率VOPT可以是在约7.5×1013Hz到约7.5×1014Hz之间(即，约400纳米(nm)至约4微米(μm)之间)、约1.5×1014Hz到约3.0×1014Hz之间(即，约1μm至约2μm之间)、约1.7×1014Hz到约2.2×1014Hz之间(即，约1.4μm至约1.7μm之间)，或在约1.8×1014Hz到约2.0×1014Hz之间(即，约1.5μm至约1.6μm之间)的。在一些示例中，上转换光信号是由上转换带宽VOPT表征的，上转换带宽VOPT小于约1.0×109Hz、小于约1.0×108Hz、小于约1.0×107Hz、小于约1.0×106Hz、或小于约1.0×105Hz。在一些示例中，上转换光信号98是由上转换光功率POPT表征的，上转换光功率POPT大于约0.010W、大于约0.10W、大于约1.0W、大于约10W、或大于约100W。更大的光功率可以潜在地增加毫米波接收机10的灵敏度。上转换激光源101的典型示例可以包括以下中的一个或多个：半导体激光器、半导体光放大器、掺杂光纤激光器、掺杂光纤放大器、固态激光器或固态光放大器；也可以使用其他合适类型的激光源。在一些示例中，上转换激光源101可包括产生可直接用作上转换光信号99的线性偏振输出的激光发射器。在一些示例中，激光源101包括(任何合适的类型或设置的)激光发射器和激光偏振器；激光发射器的输出的线性偏振部分被激光偏振器作为上转换光信号99进行传输。在一些示例中，激光源101可以包括(任何合适的类型或设置的)光隔离器，以减少或防止光反馈到激光发射器中。
传播输入信号99和上转换光信号98分别入射到输入光束组合器105上，输入光束组合器105将该传播输入信号99和该上转换光信号98进行组合，以从输入光束组合器105共同传播出去。输入光束组合器105可以是任何合适的类型或设置。在一些示例中(例如，如图2所示)，输入光束组合器105可以包括具有穿过该组合器105的孔105a的离轴反射器。上转换光信号98通过孔105a传播；输入信号99被输入光束组合器105反射，以与上转换光信号98共同传播。在一些其他示例中(例如，如图3和4所示)，输入光束组合器105可被设置为对入射(如图3所示，在非正入射时，或如图4所示，在正入射时)到输入光束组合器105的第一表面上的上转换光信号98进行反射，并对入射到输入光束组合器的第二表面上的传播输入信号99进行传输。输入光束组合器105被设置为使得传输的输入光束99与反射的上转换光信号98共同传播。在图4的示例中，偏振分束器112还用于在上转换光信号98第一次通过分束器112时使其偏振，并且在激光源101和分束器112之间插入光隔离器101a，以阻止上转换光信号98和防止其在第二次通过分束器112之后再进入激光源101。
组合的上转换光信号98和输入信号99通过非线性光学介质108共同传播，并在其中产生一个或多个已上转换光信号97。已上转换光信号97可以在频率和VSUM＝VOPT+VGHz或者频率差VDIFF＝VOPT-VGHz的一个或两个处产生。与上转换光信号98的光频率VOPT一样，这些频率和和频率差在电磁频谱的可见或红外区域中。给定相对小的频率分离，通常产生频率和和频率差；在一些实例中，只产生一个或另一个，并且这些实例被理解为落入本公开和所附权利要求的范围内。根据输入信号99的调制来对已上转换光信号97进行调制。非线性光学介质108可以包括任何合适的或期望的一种或多种材料，并且可以是任何合适的类型或设置。在一些示例中，可以采用单晶非线性光学介质108，单晶非线性光学介质108可以(例如，通过角度、温度或其他方式)被临界或非临界地相位匹配，以在期望的千兆赫兹输入信号频率VGHz与上转换光频率和VOPT处进行上转换，或者在这些频率上展现出足够长的相干长度。在一些示例中，非线性光学介质108可以包括周期性介质，周期性介质被设置为用于准相位匹配(quasi-phase-matched，QPM)地产生一个或多个已上转换光信号。在这些示例中的一些中，周期性介质可以包括周期性极化的有机或无机介质、定向图案化的半导体介质，或光学接触板或扩散键合板的堆叠。合适的非线性光学材料的示例可以包括但不限于：砷化镓或磷化镓或其它III-V半导体或其合金中的一种或多种；一种或多种II-VI半导体或其合金；DAST(4-N，N-二甲氨基-4'-N'-甲基-对甲苯磺酸钠)、OH1(2-(3-(4-羟基苯乙烯基)-5，5-二甲基环己-2-亚烯基)丙二腈)、DSTMS(4-N，N-二甲氨基-4'-N'-甲基-对甲苯磺酸钠)或其它有机材料中的一种或多种；铌酸钾或锂或其他无机材料；或其他合适的非线性光学材料。适合性可以至少部分地基于以下中的一个或多个得到：上转换光信号98的足够透明性、输入信号99的足够透明性、或用于对输入信号99进行上转换以形成已上转换光信号97的足够大的非线性光学系数。
已上转换光信号97与通过非线性光学介质108传输的剩余的上转换光信号98共同传播。当输入信号99的功率相对低时，在某些情况下，已上转换光信号97的功率(例如，几微瓦(μW)到几十μW)相对于上转换光信号98的功率(例如，1到10W)可能相当小，需要分离这些信号以实现已上转换光信号97的检测和解调。在非线性光学介质108中发生的非线性上转换过程导致已上转换光信号97和上转换光信号98基本正交地线性偏振。可以利用该正交偏振将上转换光信号98的至少大部分与已上转换光信号97分离。线性偏振器112将上转换光信号98的传播与已上转换光信号97的传播分离，基本上平行于已上转换光信号97的偏振而线性偏振的上转换光信号98的剩余部分98a通常与已上转换光信号97从线性偏振器112向着检测系统200共同传播。线性偏振器112可以是任何合适的类型或设置，例如，诸如二向色玻璃偏振器之类的吸收偏振器，诸如格兰泰勒偏振器或格兰汤普生偏振器之类的双折射棱镜偏振器，或者偏振分束器(例如，图2-4所示)。在某些情况下，考虑到上转换光信号98的相对高功率，该光信号98将会被吸收偏振器吸收，使用吸收偏振器可能不太理想。如果采用棱镜偏振器或偏振分束器，在某些情况下，可能希望设置线性偏振器112，使得传输而不是反射已上转换光信号97。相较于反射光束，对于发射光束而言，对不理想的偏振的抑制通常更高(即，当由偏振器112传输而不是反射已上转换光信号97时，剩余上转换信号98a的相对功率较小)。在其它情况下，线性偏振器112的设置使得反射已上转换光信号97是可接受的或者甚至是期望的。
为了减少相对于已上转换光信号97的剩余上转换光信号98a，在线性偏振器112和检测系统200之间放置光谱选择性滤光器117。相对于共同传播的剩余上转换光信号98a的传输，滤光器117优先传输已分离的已上转换光信号97中的至少一个。如果需要频率和和频率差处的已上转换光信号97，则可以采用陷波滤波器117。陷波滤波器117可以是任何合适的类型或设置，例如多层薄膜滤波器或布拉格滤波器。考虑到相对小的频率间隔(例如，约2×1014Hz(波长约1500nm)的VOPT和30至300GHz的VGHz导致约0.2至2nm的波长分离)，将需要非常窄的陷波滤波器。合适的示例可以包括，例如由OptiGrate公司生产的BragGrateTM拉曼滤波器、美国专利号6,673,497中公开的布拉格滤波器(由Elimov等人申请，通过引用合并，如同本文中完全阐述的)或如在《光谱学》第1卷第12号第26页(1986年)中公开的由Asher等人提出的结晶胶体布拉格滤波器(通过引用并入，如同本文中完全阐述的)。
在一些情况下，只期望频率和或频率差处的已上转换光信号97中的一个或另一个到达检测系统200。例如，如果相干检测用于对已上转换光信号97进行解调以恢复已编码的传输信息，则可能是这种情况。如果只期望已上转换光信号97中的一个，则可以采用短通、长通或带通滤光器117(或其适当组合)。这样的光谱选择性滤光器117可以被设置为相对于其他已上转换光信号97的传输以及相对于共同传播的剩余上转换光信号98a而优先传输所期望的已上转换光信号97。高通、短通或带通滤波器可以是任何合适的类型或设置，例如多层薄膜滤波器。给定相对小的频率间隔，光谱选择滤波器117应该表现出对光频率的传输的适当大的依赖性。替代地或另外地，其他类型的波长相关滤波器117(例如，诸如DWDM光电电信系统中采用的那些滤波器)可用于区分已上转换光信号97和剩余上转换光信号98a。尽管在附图中只有已上转换光信号97被明确标记为进入检测系统200，但应该理解，少量的剩余上转换信号98a通常通过滤光器117并到达检测系统200。在一些示例中，尽管存在作为背景信号的剩余光信号98a，所述剩余光信号98a是足够小的，以使得能够检测已上转换光信号97。在一些其他示例中，到达检测系统200的剩余光信号98a被用于已上转换信号97的检测(下面将进一步讨论)。
检测系统200包括一个或多个光电检测器。它接收由滤光器117传输的已上转换光信号97，并从中产生一个或多个电输出信号，该电输出信号包括被调制以对通过输入信号99的调制而编码的已传输信息进行编码的至少部分。这样，本公开的接收机10通过自由空间传播来传输由输入信号99携带的信息，该信息将由一个或多个电输出信号携带，该电输出信号将沿着一个或多个导线或电缆进行传播。在一些示例中，一个或多个光电检测器可以包括一个或多个雪崩光电二极管、或一个或多个p-i-n光电二极管；可以使用其他合适类型的光电检测器。在一些示例中，检测系统200可以通过直接检测已上转换光信号97的调制强度来操作，在一些示例中，已上转换光信号97叠加在背景信号上，背景信号是由通过滤光器117传输的剩余上转换光信号98a的部分产生的。
在一些示例中，检测系统200可以通过常规相干检测(例如，如图5)来操作。在这样的示例中，检测系统200可以包括连续波本振激光源201，连续波本振激光源201被设置为产生本振光信号95。该本振光信号95是由本振光频率VLO＝VSUM或VLO＝VDIFF表征的，取决于频率和和频率差处的已上转换光信号97中的哪一个优先通过滤光器117传输。检测系统200可以包括四个3dB耦合器203和205，以及标准的所谓90度混合设置的90°移相器204，其示例在图5中示意性地示出。所得的四个光信号入射到两对平衡光电检测器207上，产生的电输出信号91和92表示输入信号99的调制的同相和正交分量。在一些示例中，上转换激光源101和本振激光源201在彼此之间不锁相的情况下操作，使得已上转换光信号97和本振光信号95之间可能存在相对频率漂移或相位噪声。传统的相干检测系统包括用于补偿或校正这种漂移或相位噪声的电路，并且所得到的检测系统200作为内差检测系统而操作。在一些示例中，上转换激光源101和本振激光源201耦合(以任何合适的方式)用于锁相操作；在这些示例中，检测系统200作为零差检测系统而操作。
如上所述，在许多情况下，到达检测系统200的少量剩余光信号98a实际上是不可避免的，但足够小以允许对已上转换光信号97进行直接检测，或者不影响已上转换光信号97的相干检测。在一些其他示例中，剩余光信号98a通过充当本振光信号来辅助已上转换光信号97的检测。在这样的示例中，通过在光电检测器上混合已上转换光信号97和剩余光信号98a而产生的电信号包括在千兆赫兹输入信号频率VGHz处振荡的外差分量。该振荡外差分量包括对已传输信息的至少一个或多个部分进行编码的调制。检测系统200可以以任何合适的方式设置，用于检测外差分量，在一些情况下包括电高通或带通滤波器。电高通或带通滤波器被设置为相对于电信号的非振荡分量的传输，优先地传输该电信号的一个或多个外差分量。
无论采用上述方案中的哪一种(直接检测、内差检测、零差检测或外差检测)来产生携带输入信号99的调制的电信号，在一些示例中，检测系统200可以包括信号处理电路，该信号处理电路被构造并连接以接收一个或多个电信号的已调制部分，解调一个或多个电信号，并对通过输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。信号处理电路可以是适于对由已调制输入信号99所携带的已传输信息进行解调和解码的任何类型或设置。
除了前述之外，以下示例实施例落入本公开或所附权利要求的范围内。
示例1：一种毫米波接收机，包括：(a)连续波上转换激光源，被设置为产生由上转换光频率VOPT表征的线性偏振上转换光信号；(b)输入光束组合器，被定位和设置为将分别入射到所述输入光束组合器上的所述上转换光信号和传播输入信号进行组合，以从所述输入光束组合器中共同传播出去，所述输入信号(i)是由千兆赫兹输入信号频率VGHz表征的，以及(ii)被调制以对已传输信息进行编码；(c)非线性光学介质，被定位和设置为使得组合的上转换光信号和输入信号通过非线性光学介质共同传播，并在频率和VSUM＝VOPT+VGHz或者频率差VDIFF＝VOPT-VGHz的一个或两个处产生一个或多个已上转换光信号，所述一个或多个已上转换光信号与所述上转换光信号共同传播，并且与所述上转换光信号的偏振基本正交地线性偏振；(d)线性偏振器，被定位和设置为将(i)所述上转换光信号的传播与(ii)所述一个或多个已上转换光信号的传播分离；(e)光谱选择性滤光器，被定位和设置为相对于基本平行于所述已上转换光信号的偏振而线性偏振的所述上转换光信号的共同传播的剩余部分的传输，对已分离的已上转换光信号中的至少一个进行优先传输；以及(f)检测系统，包括一个或多个光电检测器，并且被定位和设置为(i)接收由所述滤光器传输的所述已上转换光信号，以及(ii)由所述上转换光信号生成一个或多个电输出信号，所述电输出信号包括其被调制以对所述已传输信息的至少部分进行编码的至少部分。
示例2：根据示例1所述的装置，其中，所述输入光束组合器被构造和定位为(i)对入射到所述输入光束组合器的第一表面上的所述上转换光信号进行反射，以及(ii)对入射到所述输入光束组合器的第二表面上的所述传播输入信号进行传输，以与反射的上转换光信号共同传播。
示例3：根据示例1所述的装置，其中，所述输入光束组合器包括离轴反射器，所述离轴反射器被构造和定位为(i)通过所述反射器的孔传输所述上转换光信号以及(ii)反射所述传播输入信号以与所述上转换光信号共同传播。
示例4：根据示例1至3中任一示例所述的装置，其中，所述线性偏振器包括偏振分束器。
示例5：根据示例1至4中任一示例所述的装置，其中，千兆赫兹输入信号频率VGHz是在约3.0×1010Hz到约3.0×1011Hz之间、或在约5.0×1010Hz到约1.0×1011Hz之间的。
示例6：根据示例1至5中任一示例所述的装置，其中，所述输入信号是由输入信号带宽ΔVGHz表征的，所述输入信号带宽ΔVGHz小于约1.0×1011Hz、小于约1.0×1010Hz、或小于约1.0×109Hz
示例7：根据示例1至6中任一示例所述的装置，其中，所述输入信号是由输入信号功率PGHz表征的，所述输入信号功率PGHz小于约100瓦(W)、小于约10W、小于约1.0W、小于约0.10W、小于约0.010W、小于约0.0010W、或小于约0.00010W。
示例8：根据示例1至7中任一示例所述的装置，其中，所述上转换光频率VOPT是在约7.5×1013Hz到约7.5×1014Hz之间、约1.5×1014Hz到约3.0×1014Hz之间、约1.7×1014Hz到约2.2×1014Hz之间、或在约1.8×1014Hz到约2.0×1014Hz之间的。
示例9：根据示例1至8中任一示例所述的装置，其中，所述上转换光信号是由上转换带宽ΔVOPT表征的，所述上转换带宽ΔVOPT小于约1.0×109Hz、小于约1.0×108Hz、小于约1.0×107Hz、小于约1.0×106Hz、或小于约1.0×105Hz。
示例10：根据示例1至9中任一示例所述的装置，其中，所述上转换光信号是由上转换光功率POPT表征的，所述上转换光功率POPT大于约0.010W、大于约0.10W、大于约1.0W、大于约10W、或大于约100W。
示例11：根据示例1至10中任一示例所述的装置，其中，所述上转换激光源包括光隔离器。
示例12：根据示例1至11中任一示例所述的装置，其中，所述上转换激光源包括激光发射器和激光偏振器，所述激光发射器和所述激光偏振器设置为使得所述激光发射器的输出的线性偏振部分被所述激光偏振器作为所述上转换光信号进行传输。
示例13：根据示例12所述的装置，其中，所述线性偏振器被定位和设置为充当所述激光偏振器，以及所述输入光束组合器被设置为相对于入射到所述第一表面上的上转换光信号基本垂直入射。
示例14：根据示例1至13中任一示例所述的装置，其中，所述上转换激光源包括以下中的一个或多个：半导体激光器、半导体光放大器、掺杂光纤激光器、掺杂光纤放大器、固态激光器或固态光放大器。
示例15：根据示例1至14中任一示例所述的装置，其中，所述非线性光学介质包括周期性介质，所述周期性介质被设置为用于准相位匹配地产生所述一个或多个已上转换光信号。
示例16：根据示例15所述的装置，其中，所述周期性介质包括周期性极化介质、定向图案化介质或光学接触板的堆叠。
示例17：根据示例1至14中任一示例所述的装置，其中，所述非线性光学介质包括双折射介质，所述双折射介质被设置为用于临界或非临界双折射相位匹配地产生所述一个或多个已上转换光信号。
示例18：根据示例1至17中任一示例所述的装置，其中，所述非线性光学介质包括一种或多种III-V半导体或其合金、一种或多种II-VI半导体或其合金、铌酸钾或铌酸锂、其它一种或多种无机非线性光学材料、DAST(4-N，N-二甲氨基-4'-N'-甲基-对甲苯磺酸钠)、OH1(2-(3-(4-羟基苯乙烯基)-5，5-二甲基环己-2-亚烯基)丙二腈)、DSTMS(4-N，N-二甲氨基-4'-N'-甲基-对甲苯磺酸钠)或其它一种或多种有机非线性光学材料。
示例19：根据示例1至18中任一示例所述的装置，其中，所述检测系统包括一个或多个雪崩光电二极管或一个或多个p-i-n光电二极管。
示例20：根据示例1至19中任一示例所述的装置，其中：(a)所述检测系统包括：连续波本振激光源，被设置为产生本振光信号，所述本振光信号是由本振光频率VLO＝VSUM或VLO＝VDIFF表征的；以及(b)所述检测系统被设置为(i)在一个或多个光电检测器上对所述本振光信号和接收的已上转换光信号的相应部分进行组合，以及(ii)从中产生一个或多个相应电信号，所述电信号至少包括其被调制以对所述已传输信息进行编码的部分。
示例21：根据示例20所述的装置，其中，所述检测系统包括90°移相器，所述移相器被设置为使得(i)至少一个光检测器接收与所述本振光信号的相应相移部分相结合的接收的已上转换光信号的相应部分，以及(ii)至少一个光检测器接收与所述本振光信号的相应未相移部分相结合的所述接收的已上转换光信号的相应部分。
示例22：根据示例20或21中任一示例所述的装置，其中：(i)所述上转换激光源和所述本振激光源被设置为在彼此之间不锁相的情况下操作，并且所述检测系统被设置为作为内差检测系统而操作。
示例23：根据示例20或21中任一示例所述的装置，其中：(i)所述上转换激光源和所述本振激光源被耦合以用于锁相操作，并且检测系统被设置为作为零差检测系统而操作。
示例24：根据示例1至19中任一示例所述的装置，其中：(d')所述线性偏振器被定位和设置为引导所述上转换光信号的剩余部分以与所述一个或多个已上转换光信号共同传播；以及(f')所述一个或多个电信号包括一个或多个外差分量，所述外差分量在所述千兆赫兹输入信号频率VGHz处振荡，并包括对所述已传输信息的至少一个或多个部分进行编码的调制。
示例25：根据示例24所述的装置，其中，所述检测系统包括电高通或带通滤波器，所述电高通或带通滤波器被设置为相对于所述电信号的非振荡分量的传输，优先地传输所述电信号的所述一个或多个外差分量。
示例26：根据示例24或25中任一示例所述的装置，还包括信号处理电路，所述信号处理电路被构造并连接以至少接收所述电信号的一个或多个外差分量的已调制部分，并从中产生至少对所述已传输信息的部分进行编码的一个或多个相应的电输出信号。
示例27：根据示例1至23中任一示例所述的装置，还包括连接到所述检测系统的信号处理系统，所述信号处理系统被构造和连接以接收所述一个或多个电信号，解调所述一个或多个电信号，并对通过所述输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。
示例28：根据示例27所述的装置，其中，所述信号处理系统被设置为根据模拟调制方案对由所述输入信号编码的所述已传输信息进行解码。
示例29：根据示例27所述的装置，其中，所述信号处理系统被设置为根据数字调制方案对由所述输入信号编码的所述已传输信息进行解码。
示例30：根据示例27所述的装置，其中，所述信号处理系统被设置为根据正交幅度调制QAM调制方案、相移键控PSK调制方案或脉冲幅度调制PAM调制方案对由所述输入信号编码的所述已传输信息进行解码。
示例31：根据示例27至30中任一示例所述的装置，其中，所述信号处理系统被设置为对以大于约10Gbps、大于约50Gbps、大于约100Gbps、大于约200Gbps或大于约500Gbps的数据速率传输的信息进行解码。
示例32：一种用于使用示例1至31中任一示例所述的装置的方法，所述方法包括：(A)接收入射到所述输入光束组合器上的传播输入信号；(B)操作所述上转换激光源以产生所述上转换光信号；以及(C)产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分。
示例33：一种用于使用示例20至23中任一示例所述的装置的方法，所述方法包括：(A)接收入射到所述输入光束组合器上的所述传播输入信号；(B)操作所述上转换激光源以产生所述上转换光信号；(C)操作所述本振激光源以产生所述本振光信号；以及(D)产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分。
示例34：一种用于使用示例24至26中任一示例所述的装置的方法，所述方法包括：(A)接收入射到所述输入光束组合器上的所述传播输入信号；(B)操作所述上转换激光源以产生所述上转换光信号；以及(C)产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分。
示例35：根据示例32至34中任一示例所述的方法，其中，(i)所述装置进一步包括连接到所述检测系统的信号处理系统，所述信号处理系统被构造和连接以便接收所述一个或多个电信号，解调所述一个或多个电信号，并对通过所述输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码，以及(ii)所述方法进一步包括解调所述一个或多个电信号，并对通过所述输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。
示例36：一种用于使用示例26至31中任一示例所述的装置的方法，所述方法包括：(A)接收入射到所述输入光束组合器上的所述传播输入信号；(B)操作所述上转换激光源以产生所述上转换光信号；(C)产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分；以及(D)解调所述一个或多个电信号，并对通过所述输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。
旨在所公开的示例实施例和方法的等效物应属于本公开或所附权利要求的范围。旨在对所公开的示例实施例和方法及其等效物进行修改，同时保持在本公开或所附权利要求的范围内。
在前述的具体实施方式中，为了简化本公开的目的，可以在几个示例实施例中将各种特征分组在一起。本公开的方法不应被解释为反映任何要求保护的实施例需要比相应权利要求中明确叙述的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，本公开的主题可以不在于单个公开的示例实施例的所有特征。因此，本公开应被解释为隐含地公开具有一个或多个特征的任何适当子集的任何实施例，这些特征在本申请中被示出、描述或要求保护，包括在此可能未明确公开的那些子集。“合适的”特征的子集仅包括与该子集的任何其他特征既不相容也不互斥的特征。因此，在此将所附权利要求合并到具体实施方式中，每个权利要求作为单独公开的实施例而独立存在。此外，每一个附加的从属权利要求应解释为，仅为了公开的目的，通过将权利要求纳入具体实施方式，如同以多个从属形式书写，并依赖于与之并不矛盾的所有前面的权利要求。应当进一步注意，所附权利要求的累积范围可以但不一定包括本申请中公开的整个主题。
以下解释适用于本公开和所附权利要求的目的。冠词“一”应解释为“一个或多个”，除非在特定上下文中明确或隐含了“仅一个”、“单个”或其他类似限制；同样，冠词“该/所述”应解释为“该/所述……中的一个或多个”，除非在特定上下文中明确或隐含了“仅该/所述……中的一个”、“该/所述……中的单个”或其他类似限制。连接词“或”应包括在内(例如，“一只狗或一只猫”应解释为“一只狗，或一只猫，或两者兼而有之”；例如，“一只狗，一只猫，或一只老鼠”应解释为“一只狗，或一只猫，或一只老鼠，或任何两只，或所有三只”)，除非：(i)明确另有说明，例如，使用“或者……或者”，“只有其中一个”或类似的语言；或(ii)所列的两个或两个以上的备选方案在特定情况下是相互排斥的，其中“或”的情况仅包括涉及非相互排斥的选项的那些组合。类似地，“一只或多只狗或猫”将被解释为包括(i)一只或多只狗而没有任何猫，(ii)一只或多只狗而没有任何猫，或(iii)一只或多只狗和一只或多只猫，除非另有明确说明，或其他选择被理解或公开(含蓄或明确)为相互排斥或不相容。类似地，“一只或多只狗、猫或老鼠”将被解释为(i)一只或多只狗而没有任何猫或老鼠，(ii)一只或多只猫而没有任何狗或老鼠，(iii)一只或多只老鼠而没有任何狗或猫，(iv)一只或多只狗和一只或多只猫而没有任何老鼠，(v)一只或多只狗和一只或多只老鼠而没有任何猫，(vi)一只或多只猫和一只或多只老鼠而没有任何狗，或(vii)一只或多只狗、一只或多只猫和一只或多只老鼠而没有任何狗。“两只或两个以上狗、猫或老鼠”可解释为(i)一只或多只狗和一只或多只猫而而没有任何老鼠，(ii)一只或多只狗和一只或多只老鼠而而没有任何猫，(iii)一只或多只猫和一只或多只老鼠而没有任何狗，或(iv)一只或多只狗、一只或多只猫和一只或多只老鼠；“三个或更多”、“四个或更多”等等将被类似地解释。对于任何前面的陈述，如果所包括的选项的任何对或组合被理解或公开(隐式或显式)为不兼容或相互排斥，则这些对或组合被理解为从相应的陈述中排除。为了本公开和所附权利要求的目的，词语“包含”、“包括”、“具有”及其变体，无论它们出现在哪里，都应被解释为开放式术语，具有与在其每个示例之后附加诸如“至少”的短语相同的含义，除非另有明确说明。
为了本公开或所附权利要求的目的，当关于数值量使用诸如“大约等于”、“基本上等于”、“大于大约”、“小于大约”等术语时，应适用与测量精度和有效数字有关的标准约定，除非明确提出不同的解释。对于由诸如“基本上防止”、“基本上不存在”、“基本上消除”、“大约等于零”、“可忽略”等短语描述的零数量，每一个这样的短语都应表示所述数量已经减少或减少到这样的程度的情况，即，为了实际目的，在所公开或要求保护的装置或方法的预期操作或使用的背景下，装置或方法的总体行为或性能与如果零数量事实上被完全移除、精确等于零或以其他方式精确为零时所发生的行为或性能没有区别。
为了本公开和所附权利要求的目的，对实施例、示例或权利要求的元素、步骤、限制或其他部分(例如，第一、第二、第三等，(a)、(b)、(c)等，或(i)、(ii)、(iii)等)的任何标记仅是为了清楚的目的，并且不应被解释为暗示对如此标记的部分的任何排序或优先级。如果打算使用任何此类顺序或优先顺序，则将在实施例、示例或权利要求中明确叙述，或者在某些情况下，根据实施例、示例或权利要求的具体内容，它将是隐含的或固有的。在所附的权利要求中，如果希望在装置权利要求中援引《美国法典》(USC)第35节第112(f)项的规定，那么“设备(means)”一词将出现在该装置权利要求中。如果希望在方法权利要求中调用这些规定，则该方法声明中将出现“用于……的步骤(a step for)”。相反，如果权利要求中没有出现“means”或“a step for”等字，则不打算对该权利要求援引USC第35编第112(f)条的规定。
如果通过引用将任何一个或多个公开合并在此文，并且这种合并的公开与本公开部分或全部冲突，或在范围上与本公开不同，则本公开控制在冲突、更广泛的公开或更广泛的术语定义的范围内。如果这类合并公开为部分或全部相互冲突，那么在冲突的程度上，以较晚的公开控制为准。
根据需要提供摘要，以帮助那些在专利文献中搜索特定主题的人。然而，摘要并不意味着其中所述的任何元素、特征或限制必然包含在任何特定的权利要求中。每项权利要求所包括的被保护的主题范围应仅由该权利要求的陈述所决定。

Claims (25)

1.一种毫米波接收机装置，包括：
a、连续波上转换激光源，被设置为产生由上转换光频率VOPT表征的线性偏振上转换光信号；
b、输入光束组合器，被定位和设置为将分别入射到所述输入光束组合器上的所述上转换光信号和传播输入信号进行组合，以从所述输入光束组合器中共同传播出去，所述传播输入信号是由千兆赫兹输入信号频率VGHz表征的，以及被调制以对已传输信息进行编码；
c、非线性光学介质，被定位和设置为使得组合的上转换光信号和传播输入信号通过非线性光学介质共同传播，并在频率和VSUM＝VOPT+VGHz或者频率差VDIFF＝VOPT-VGHz的一个或两个处产生一个或多个已上转换光信号，所述一个或多个已上转换光信号与所述上转换光信号共同传播，并且与所述上转换光信号的偏振基本正交地线性偏振；
d、线性偏振器，被定位和设置为将所述上转换光信号的传播与所述一个或多个已上转换光信号的传播分离；
e、光谱选择性滤光器，被定位和设置为相对于基本平行于所述已上转换光信号的偏振而线性偏振的所述上转换光信号的共同传播的剩余部分的传输，对已分离的已上转换光信号中的至少一个进行优先传输；以及
f、检测系统，包括一个或多个光电检测器，并且被定位和设置为接收由所述光谱选择性滤光器传输的所述已上转换光信号，以及由所述上转换光信号生成一个或多个电输出信号，所述电输出信号包括其被调制以对所述已传输信息的至少部分进行编码的至少部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入光束组合器被构造和定位为对入射到所述输入光束组合器的第一表面上的所述上转换光信号进行反射，以及对入射到所述输入光束组合器的第二表面上的所述传播输入信号进行传输，以与反射的上转换光信号共同传播。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入光束组合器包括离轴反射器，所述离轴反射器被构造和定位为通过所述离轴反射器的孔传输所述上转换光信号以及反射所述传播输入信号以与所述上转换光信号共同传播。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线性偏振器包括偏振分束器。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，千兆赫兹输入信号频率VGHz是在3.0×1010赫兹Hz到3.0×1011Hz之间。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述上转换光频率VOPT是在7.5×1013Hz到7.5×1014Hz之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述连续波上转换激光源包括光隔离器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述连续波上转换激光源包括激光发射器和激光偏振器，所述激光发射器和所述激光偏振器设置为使得所述激光发射器的输出的线性偏振部分被所述激光偏振器作为所述上转换光信号进行传输，所述线性偏振器被定位和设置为充当所述激光偏振器，以及所述输入光束组合器被设置为相对于入射到所述输入光束组合器的第一表面上的上转换光信号基本垂直入射。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述非线性光学介质包括周期性介质，所述周期性介质被设置为用于准相位匹配地产生所述一个或多个已上转换光信号。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述非线性光学介质包括双折射介质，所述双折射介质被设置为用于临界或非临界双折射相位匹配地产生所述一个或多个已上转换光信号。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，
a、所述检测系统包括：连续波本振激光源，被设置为产生本振光信号，所述本振光信号是由本振光频率VLO＝VSUM或VLO＝VDIFF表征的；以及
b、所述检测系统被设置为在一个或多个光电检测器上对所述本振光信号和接收的已上转换光信号的相应部分进行组合，以及从中产生一个或多个电信号，所述电信号至少包括其被调制以对所述已传输信息进行编码的部分。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述检测系统包括90°移相器，所述移相器被设置为使得至少一个光检测器接收与所述本振光信号的相应相移部分相结合的接收的已上转换光信号的相应部分，以及至少一个光检测器接收与所述本振光信号的相应未相移部分相结合的所述接收的已上转换光信号的相应部分。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述连续波上转换激光源和所述连续波本振激光源被设置为在彼此之间不锁相的情况下操作，并且所述检测系统被设置为作为内差检测系统而操作。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述连续波上转换激光源和所述连续波本振激光源被耦合以用于锁相操作，并且检测系统被设置为作为零差检测系统而操作。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，
d'、所述线性偏振器被定位和设置为引导所述上转换光信号的剩余部分以与所述一个或多个已上转换光信号共同传播；以及
f'、所述一个或多个电信号包括一个或多个外差分量，所述外差分量在所述千兆赫兹输入信号频率VGHz处振荡，并包括对所述已传输信息的至少一个或多个部分进行编码的调制。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述检测系统包括电高通或带通滤波器，所述电高通或带通滤波器被设置为相对于所述一个或多个电信号的非振荡分量的传输，优先地传输所述一个或多个电信号的所述一个或多个外差分量。
17.根据权利要求15所述的装置，还包括信号处理电路，所述信号处理电路被构造并连接以至少接收所述一个或多个电信号的一个或多个外差分量的已调制部分，并从中产生至少对所述已传输信息的部分进行编码的一个或多个相应的电输出信号。
18.根据权利要求1所述的装置，还包括连接到所述检测系统的信号处理系统，所述信号处理系统被构造和连接以接收所述一个或多个电信号，解调所述一个或多个电信号，并对通过所述传播输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述信号处理系统被设置为根据模拟调制方案、数字调制方案、正交幅度调制QAM调制方案、相移键控PSK调制方案或脉冲幅度调制PAM调制方案对由所述传播输入信号编码的所述已传输信息进行解码。
20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述信号处理系统被设置为对以大于10Gbps的数据速率传输的信息进行解码。
21.一种用于使用权利要求1所述的装置的方法，所述方法包括：
A、接收入射到所述输入光束组合器上的传播输入信号；
B、操作所述连续波上转换激光源以产生所述上转换光信号；以及
C、产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述装置进一步包括连接到所述检测系统的信号处理系统，所述信号处理系统被构造和连接以便接收所述一个或多个电信号，解调所述一个或多个电信号，并对通过所述传播输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码，以及所述方法进一步包括解调所述一个或多个电信号，并对通过所述传播输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。
23.一种用于使用权利要求11所述的装置的方法，所述方法包括：
A、接收入射到所述输入光束组合器上的所述传播输入信号；
B、操作所述连续波上转换激光源以产生所述上转换光信号；
C、操作所述连续波本振激光源以产生所述本振光信号；以及
D、产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分。
24.一种用于使用权利要求15所述的装置的方法，所述方法包括：
A、接收入射到所述输入光束组合器上的所述传播输入信号；
B、操作所述连续波上转换激光源以产生所述上转换光信号；以及
C、产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分。
25.一种用于使用权利要求18所述的装置的方法，所述方法包括：
A、接收入射到所述输入光束组合器上的所述传播输入信号；
B、操作所述连续波上转换激光源以产生所述上转换光信号；
C、产生所述一个或多个电信号，所述一个或多个电信号包括被调制以对所述已传输信息进行编码的至少部分；以及
D、解调所述一个或多个电信号，并对通过所述传播输入信号的调制而编码的所述已传输信息进行解码。
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