一种太赫兹源产生系统及产生方法

1.本公开涉及光通信技术领域以及微波技术领域，尤其涉及一种太赫兹源产生系统及其产生方法。


背景技术：

2.随着太赫兹波探测技术的发展，太赫兹波越来越受到研究人员的关注。太赫兹波由于具有低光子能量、高穿透力、高分辨率等优点，已广泛应用于无线通信、医学生物、安全检测等领域。然而，由于无线通信技术对传输速度的要求越来越高，导致对电磁波的频率要求也越来越高。因此，产生高质量太赫兹源至关重要。同时，微波光子技术具有传输损耗低、抗电磁干扰能力强、工作带宽大等优势，所以可以利用微波光子技术将激光信号转化为太赫兹信号，从而生成高质量太赫兹源。目前，利于光子学技术生成太赫兹的方法有很多，但是一般仅产生单一频率的太赫兹信号且无法调谐，严重制约了太赫兹成像或通信系统的发展，且往往系统构成复杂，体积功耗较大。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.鉴于上述问题，本公开提供了一种太赫兹源产生系统及其产生方法，以至少部分解决目前产生的太赫兹信号频率单一、无法调谐、系统构成复杂以及体积功耗较大的问题。
5.(二)技术方案
6.本公开一方面提供一种太赫兹源产生系统，包括：激光源，包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器用于提供频率为f0且波长为λ0的第一光载波，所述第二激光器用于提供频率为f1且波长为λ1的第二光载波；倍频模块，设于所述第二激光器的输出光路上，用于产生频率为f的射频微波信号，将所述射频微波信号调制到所述第二光载波上，并对所述射频微波信号进行倍频，倍频数为n；太赫兹探测模块，设于所述第一激光器和所述倍频模块的输出光路上，用于将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行合束并拍频，形成频率为f
1-f0±
n*f的太赫兹微波信号。
7.根据本公开的实施例，所述太赫兹源产生系统还包括：控制器，连接所述倍频模块，用于控制所述倍频模块调节所述射频微波信号和所述倍频数n。
8.根据本公开的实施例，所述倍频模块由射频微波源与倍频链路构成，其中，所述倍频链路由强度调制器、相位调制器、分束器、探测器及双平行马赫曾德尔调制器其中的两种或三种器件并联或串联组成，形成不同的所述倍频数n。
9.根据本公开的实施例，所述太赫兹源产生系统还包括：光学滤波器，设于所述倍频模块的输出光路上，用于选取带有所述射频微波信号的所述第二光载波。
10.根据本公开的实施例，所述光学滤波器选取的频带为f1+n*f频带或f
1-n*f频带。
11.根据本公开的实施例，所述太赫兹探测模块包括：合束器，连接所述第一激光器和所述倍频模块，用于将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波合束；
探测器，连接所述合束器，用于对所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波拍频。
12.根据本公开的实施例，所述探测器为太赫兹频段超宽带光电探测器。
13.根据本公开的实施例，所述第一光载波和所述第二光载波的波长差λ
1-λ0为太赫兹频段。
14.本公开另一方面提供一种太赫兹源产生方法，包括：利用第一激光器产生波长为λ0且频率为f0的第一光载波，利用第二激光器产生波长为λ1且频率为f1的第二光载波；以及，产生射频微波信号，将所述射频微波信号调制到所述第二光载波上，并对所述射频微波信号进行倍频，倍频数为n；将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行合束并拍频，生成太赫兹微波信号。
15.根据本公开的实施例，所述太赫兹源产生方法还包括：对带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行滤波，选取f1+n*f频带或f
1-n*f频带。
16.(三)有益效果
17.1、本公开提供的太赫兹源产生系统及其产生方法，通过两个具有固定波长差的激光器结合倍频模块产生频率为f
1-f0±
n*f的太赫兹微波信号，不仅无需外围驱动电路控制激光器的波长，结构简单，而且产生的thz信号稳定且可调谐；
18.2、本公开提供的太赫兹源产生系统及其产生方法，通过灵活设计倍频模块中倍频链路的结构，可以实现不同的倍频数n，从而来调节射频微波信号，使得频率调谐范围更大，可以实现超宽带thz信号。
附图说明
19.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
20.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种太赫兹源产生系统的示意图；
21.图2示意性示出了本公开实施例提供的合束得到的信号的光谱图；
22.图3示意性示出了本公开实施例提供的拍频得到的太赫兹信号的频谱图。
23.图4示意性示出了本公开实施例提供的拍频得到的太赫兹信号的另一频谱图。
24.附图标记说明：
25.1-第一激光器；
26.2-第二激光器；
27.3-强度调制器；
28.4-射频微波源；
29.5-分束器；
30.6-双平行马赫曾德尔调制器；
31.7-光学滤波器；
32.8-合束器；
33.9-探测器。
具体实施方式
34.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性
的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
35.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
36.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
37.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种太赫兹源产生系统的示意图。
38.如图1所示，本公开实施例提供的一种太赫兹源产生系统，包括：第一激光器1、第二激光器2、强度调制器3、射频微波源4、分束器5、双平行马赫曾德尔调制器6、光学滤波器7、合束器8、探测器9和控制器(图中未标出)。
39.其中，激光源包括第一激光器1和第二激光器2，第一激光器1用于产生波长为λ0，频率为f0＝193.1thz的第一光载波，第二激光器2用于产生波长为λ1，频率为f1＝193.3thz的第二光载波，第一光载波的波长λ0和第二光载波的波长λ1为通信频段，波长差λ
1-λ0为太赫兹频段。本公开实施例通过借助两个具有固定波长差的激光器生成太赫兹源，无需外围驱动电路控制激光器的波长，不仅使系统结构简单，而且容易实施。
40.倍频模块设于第二激光器2的输出光路上，通过灵活设计倍频模块中倍频链路的结构，可以实现不同的倍频数n，倍频数n为1-16的正整数。例如，倍频链路由两个双平行马赫曾德尔调制器串联构成，倍频数n为6；倍频链路由双平行马赫曾德尔调制器、探测器以及马赫曾德尔调制器依次串联构成，倍频数n为8。如图1所示，本公开实施例中倍频模块由射频微波源4和倍频链路构成，其中射频微波源4提供频率为f＝20ghz的射频微波信号，倍频链路由强度调制器3、分束器5、双平行马赫曾德尔调制器6构成，强度调制器3工作在最大传输点，双平行马赫曾德尔调制器6有两个射频端口和三个直流偏置端口，mzm1的直流偏置端口空置，mzm2的射频端口空置，直流偏置端口施加相移为的电压，第三个直流偏置端口施加相移为π的电压，双平行马赫增德尔调制器6的mzm1工作在最大点，mzm2工作在某一点，主mzm工作在最小点。强度调制器3和双平行马赫曾德尔调制器6之间进行串联，射频微波信号经过分束器5分成两路，分别注入强度调制器3和双平行马赫曾德尔调制器6的一个射频端口，整个倍频链路实现n＝4倍频信号调制。倍频模块将射频微波信号调制到第二光载波上，并对射频微波信号进行倍频，后在光路上进行传输，从而降低了传输损耗，增强了信号的抗电磁干扰能力及增大了信号的工作带宽。倍频链路基于微波光子技术，形成不同的倍频数n，从而来调节射频微波信号，使得频率调谐范围更大，最终实现超宽带thz信号。
41.光学滤波器7设于倍频模块的输出光路上，用于选取倍频模块输出的带有射频微波信号的第二光载波，其中，射频微波信号经过了倍频，选取的频带为f1+n*f频带或f
1-n*f频带。本实施例中光学滤波器7选择+4或-4阶频带，在光学滤波器7的作用下，实现从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。
42.太赫兹探测模块设于第一激光器1和倍频模块的输出光路上，包括合束器8和探测
器9，合束器8连接第一激光器1和光学滤波器7，用于将第一光载波和带有射频微波信号调制的第二光载波合束，形成一路光信号；探测器9为太赫兹频段超宽带光电探测器，连接合束器8，通过借助第一光载波和第二光载波的波长差，对带有射频微波信号的第二光载波与第一光载波拍频，形成频率为f
1-f0±
n*f的太赫兹微波信号。通过太赫兹探测模块进行合束及拍频，最终能够得到稳定、实时、精确可调的太赫兹源。
43.如图2所示，本公开实施例提供的合束得到的信号的光谱图，频率为f0＝193.1thz的第一光载波与频率为f1+n*f＝193.3thz+4*20ghz的带有射频微波信号的第二光载波通过合束器8后得到的信号的光谱图。
44.如图3所示，本公开实施例提供的拍频得到的太赫兹信号的频谱图，此时光学滤波器7选择+4阶频带。对通过合束器8的频率为f0＝193.1thz的第一光载波与频率为f1+n*f＝193.3thz+4*20ghz的带有射频微波信号的第二光载波拍频，形成频率为f
1-f0+n*f＝193.3thz-193.1thz+4*20ghz＝280ghz的太赫兹微波信号。
45.如图4所示，本公开实施例提供的拍频得到的太赫兹信号的另一频谱图，此时光学滤波器7选择-4阶频带。对通过合束器8的频率为f0＝193.1thz的第一光载波与频率为f
1-n*f＝193.3thz-4*20ghz的带有射频微波信号的第二光载波拍频，形成频率为f
1-f
0-n*f＝193.3thz-193.1thz-4*20ghz＝120ghz的太赫兹微波信号。
46.进一步地，本公开实施例提供的太赫兹源产生系统包括控制器，连接倍频模块，用于控制倍频模块调节射频微波信号的频率f和倍频链路的倍频数n，使得生成的太赫兹微波信号的频率随着射频微波信号的频率f和倍频链路的倍频数n变化而变化，最终实现产生的太赫兹源非单一频点、信号稳定以及频率实时可调。
47.射频微波源4和分束器5间，分束器5与强度调制器3及双平行马赫曾德尔调制器6间，采用电路连接。第一激光器1与合束器8间，第二激光器2与倍频链路及光学滤波器7间，光学滤波器7与合束器8及探测器9间均采用光纤连接，本发明利用光纤的柔性使系统的光路布局灵活化，光路简单，同时降低了光的传播损耗，系统更加稳定。
48.另一方面，本公开还提供一种太赫兹源产生方法，应用于本公开提供的任一太赫兹源产生系统。以应用于图1所示的太赫兹源产生系统为例进行说明，该方法包括以下步骤：
49.利用第一激光器产生波长为λ0且频率为f0＝193.1thz的第一光载波，利用第二激光器产生波长为λ1且频率为f1＝193.3thz的第二光载波；以及，
50.产生频率为f＝20ghz的射频微波信号，将所述射频微波信号调制到所述第二光载波上，并对所述射频微波信号进行倍频，倍频数为4；
51.将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行合束并拍频，生成频率为f
1-f0±
n*f＝193.3thz-193.1thz
±
4*20ghz的太赫兹微波信号。
52.进一步地，所述太赫兹源产生方法还包括对带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行滤波，选取f1±
n*f＝193.3thz
±
4*20ghz的频带。
53.本公开在两个具有固定波长差的激光器的作用下，基于倍频模块产生太赫兹微波信号，不仅简化了系统结构，而且实现了thz信号稳定且调谐性更好。此外，本公开灵活设计倍频模块，通过改变倍频数n和射频微波信号的频率f，能够实现太赫兹微波信号的实施可调且非单一频率，以及调谐范围更大。
54.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
55.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

技术特征：
1.一种太赫兹源产生系统，其特征在于，包括：激光源，包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器用于提供频率为f0且波长为λ0的第一光载波，所述第二激光器用于提供频率为f1且波长为λ1的第二光载波；倍频模块，设于所述第二激光器的输出光路上，用于产生频率为f的射频微波信号，将所述射频微波信号调制到所述第二光载波上，并对所述射频微波信号进行倍频，倍频数为n；太赫兹探测模块，设于所述第一激光器和所述倍频模块的输出光路上，用于将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行合束并拍频，形成频率为f
1-f0±
n*f的太赫兹微波信号。2.根据权利要求1所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，还包括：控制器，连接所述倍频模块，用于控制所述倍频模块调节所述射频微波信号和所述倍频数n。3.根据权利要求1所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，所述倍频模块由射频微波源与倍频链路构成，其中，所述倍频链路由强度调制器、相位调制器、分束器、探测器及双平行马赫曾德尔调制器其中的两种或三种器件并联或串联组成，形成不同的所述倍频数n。4.根据权利要求1所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，还包括：光学滤波器，设于所述倍频模块的输出光路上，用于选取带有所述射频微波信号的所述第二光载波。5.根据权利要求4所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，所述光学滤波器选取的频带为f1+n*f频带或f
1-n*f频带。6.根据权利要求1所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，所述太赫兹探测模块包括：合束器，连接所述第一激光器和所述倍频模块，用于将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波合束；探测器，连接所述合束器，用于对所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波拍频。7.根据权利要求6所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，所述探测器为太赫兹频段超宽带光电探测器。8.根据权利要求1所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，所述第一光载波和所述第二光载波的波长差λ
1-λ0为太赫兹频段。9.一种太赫兹源产生方法，应用于如权利要求1至8任意一项所述的太赫兹源产生系统，其特征在于，包括：利用第一激光器产生波长为λ0且频率为f0的第一光载波，利用第二激光器产生波长为λ1且频率为f1的第二光载波；以及，产生射频微波信号，将所述射频微波信号调制到所述第二光载波上，并对所述射频微波信号进行倍频，倍频数为n；将所述第一光载波与带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行合束并拍频，生成太赫兹微波信号。10.根据权利要求9所述的太赫兹源产生方法，其特征在于，还包括：
对带有所述射频微波信号的所述第二光载波进行滤波，选取f1+n*f频带或f
1-n*f频带。

技术总结
本公开提供了一种太赫兹源产生系统及产生方法，包括：激光源，包括第一激光器和第二激光器，第一激光器用于提供频率为f0且波长为λ0的第一光载波，第二激光器用于提供频率为f1且波长为λ1的第二光载波；倍频模块，设于第二激光器的输出光路上，用于产生频率为f的射频微波信号，将射频微波信号调制到第二光载波上，并对射频微波信号进行倍频，倍频数为n；太赫兹探测模块，设于第一激光器和倍频模块的输出光路上，用于将第一光载波与带有射频微波信号的第二光载波进行合束并拍频，形成频率为f


技术研发人员：李金野 刘建国 贾倩倩 向子川
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/28