CN106299978B - 基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统。单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统包括皮秒脉冲激光器、传输模块、分束器、幅度调制模块、单向载流子传输光电探测器以及太赫兹探测装置。皮秒脉冲激光器发射出重复频率较高的皮秒两级的脉冲激光，经传输模块传输且可实现皮秒脉冲激光的光谱展宽，以获得脉宽为数十至数百左右飞秒。继而经幅度调制模块调制后输入至单向载流子传输光电探测器，由于单向载流子传输光电探测器可实现大光强、高速率传输特性，就可激发出高功率、高速率的太赫兹脉冲信号，从而实现高功率、高速率的太赫兹脉冲信号通信。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统。
背景技术
太赫兹频段，由于其器件层面可以媲美光学频段的巨大的带宽资源，被认为是下一代通信的目标频段之一，而在太赫兹频段，使用连续波(点载频)的通信系统获得了较为充分的研究，而类比光学频段的通信，除针对连续波的调制及信号发射方式外，使用脉冲发射也是一类主流的方式，对比连续波调制发射，脉冲发射具有带宽更大，通信速率更高，脉冲保持距离更长的优势。
目前，在太赫兹频段，连续波调制是信号加载的主流方式，脉冲调制由于重复率(repetition rate)较低、脉冲功率小等问题很难实现高速传输。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种重复率高、脉冲功率大的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统。
一种基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，包括：
皮秒脉冲激光器，用于发射皮秒脉冲激光；
传输模块，用于传输所述皮秒脉冲激光并实现所述皮秒脉冲激光的展宽；
分束器，用于将展宽的皮秒脉冲激光分成泵浦光和探测光；
幅度调制模块，用于分别接收所述泵浦光和探测光，并对所述泵浦光进行开关信号调制、对所述探测光进行光强强度调制；
单向载流子传输光电探测器，设置在所述泵浦光的传播方向上，用于激发所述泵浦光并辐射出太赫兹脉冲信号；
太赫兹探测装置，用于接收所述探测光并对所述太赫兹脉冲信号进行探测。
在其中一个实施例中，所述传输模块包括高非线性光纤，所述高非线性光纤用于传输皮秒脉冲激光并对所述皮秒脉冲激光进行展宽。
在其中一个实施例中，所述传输模块还包括单模光纤，所述单模光纤与所述高非线性光纤连接，所述单模光纤对所述展宽处理的皮秒脉冲激光进行色散补偿。
在其中一个实施例中，所述幅度调制模块包括第一幅度调制器和第二幅度调制器，所述第一幅度调制器设置在所述泵浦光的传播方向上，用于加载开关调制信号；
所述第二幅度调制器设置在所述探测光的传播方向上，用于对所述探测光进行光强强度调制。
在其中一个实施例中，所述太赫兹探测装置包括光学延迟线模块和光电导天线，所述光学延迟线模块用于调节所述泵浦光和探测光的时间延迟，所述光电导天线用于探测所述太赫兹脉冲信号。
在其中一个实施例中，所述太赫兹探测装置包括光学延迟线模块和包络检波器，所述延光学迟线模块用于调节所述泵浦光和探测光的时间延迟，所述包络检波器用于探测所述太赫兹脉冲信号。
在其中一个实施例中，还包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设置在所述皮秒脉冲激光器与传输模块之间，用于对皮秒脉冲激光进行放大处理。
在其中一个实施例中，所述分束器为光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与所述单模光纤连接，所述光纤耦合器的第一输出端用于输出所述泵浦光，所述光纤耦合器的第二输出端用于输出所述探测光。
在其中一个实施例中，所述分束器为分束镜。
在其中一个实施例中，所述皮秒脉冲激光器的重复频率大于等于10GHz。
上述单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统包括皮秒脉冲激光器、传输模块、分束器、幅度调制模块、单向载流子传输光电探测器以及太赫兹探测装置。皮秒脉冲激光器发射出重复频率较高的皮秒两级的脉冲激光，经传输模块传输且可实现皮秒脉冲激光的光谱展宽，以获得脉宽为数十至数百左右飞秒。继而经幅度调制模块调制后输入至单向载流子传输光电探测器，由于单向载流子传输光电探测器可实现大光强、高速率传输特性，就可激发出高功率、高速率的太赫兹脉冲信号，从而实现高功率、高速率的太赫兹脉冲信号通信。
附图说明
图1为基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统的光路图。
图中标记：皮秒脉冲激光器 1、掺铒光纤放大器 2、高非线性光纤 3-1、单模光纤3-2、光纤耦合器 4、第一幅度调制器 5-1、第二幅度调制器 5-2、单向载流子传输光电探测器 6、光学延迟线模块 7-1、光电导天线 7-2。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的为基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统的光路图；基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统包括皮秒脉冲激光器1、传输模块3、分束器4、幅度调制模块5、单向载流子传输光电探测器6以及太赫兹探测装置7。皮秒脉冲激光器1发射出重复频率较高的皮秒两级的脉冲激光，经传输模块3传输且可实现皮秒脉冲激光的光谱展宽，以获得脉宽为数十至数百左右飞秒。继而经幅度调制模块5调制后输入至单向载流子传输光电探测器6，由于单向载流子传输光电探测器6可实现大光强、高速率传输特性，就可激发出高功率、高速率的太赫兹脉冲信号，从而实现高功率、高速率的太赫兹脉冲信号通信。同时，太赫兹探测装置7还可以对辐射出的太赫兹脉冲信号进行探测。
皮秒脉冲激光器1，用于发射皮秒脉冲激光。皮秒脉冲激光器1是一款脉宽为皮秒的激光器。具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点。在一实施例中，皮秒脉冲激光器1的重复频率大于等于10GHz，其脉冲宽度约为1.5皮秒(ps)。
在一实施例中，基于单向载流子传输光电探测器6的太赫兹发生系统还包括掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)2，所述掺铒光纤放大器2设置在所述皮秒脉冲激光器1与传输模块3之间，用于对皮秒脉冲激光进行放大处理。对于输入的皮秒脉冲激光而言，在脉冲宽度一定的情况下，显然其峰值功率越高，则展谱效果也好，脉冲通过掺铒光纤放大器2放大可以提高其峰值功率。
在其他实施例中，还可以用光纤拉曼放大器(Optical Fiber Raman Amplifier，OFRA)实现对脉冲激光的放大，提供其皮秒脉冲激光的峰值功率。
传输模块3，用于传输所述皮秒脉冲激光并实现所述皮秒脉冲激光的展宽。所述传输模块3包括高非线性光纤(High Nonlinear Fiber，HNLF)3-1，所述高非线性光纤3-1用于传输皮秒脉冲激光并对所述皮秒脉冲激光进行展宽。只需要较小的泵浦光功率和较短的高非线性光纤3-1就可以达到高效的非线性作用效果，通过提高该高非线性光纤3-1的超连续谱(Supercontinuum，SC)的产生效率，即可实现脉冲光谱展宽。
所述传输模块3还包括单模光纤(Single Mode Fiber，SMB)3-2，所述单模光纤3-2与所述高非线性光纤3-2连接，所述单模光纤3-2对所述展宽处理的皮秒脉冲激光进行色散补偿。
经掺铒光纤放大器2放大的皮秒脉冲激光经过高正常色散的高非线性光纤3-1，得到光谱展宽的线性正啁啾SC脉冲，然后经过相应长度的标准单模光纤3-2进行啁啾补偿压缩，以再次提高脉冲的峰值功率，同时还能进行色散补偿，这样就可以获得脉宽为数十至数百左右飞秒，重复频率高达10GHz以上的皮秒脉冲激光，实现光谱展宽。
在本实施例中，基于单向载流子传输光电探测器6的太赫兹发生系统中，其分束器4、幅度调制模块5、单向载流子传输光电探测器6以及太赫兹探测装置7之间也可设置高非线性光纤3-1对皮秒脉冲激光进行传输，可以大大缩小传输空间的尺寸，具有小型化，同时，便于安装及调试。
分束器4，用于将展宽的皮秒脉冲激光分成泵浦光和探测光。在一实施例中，分束器4为光纤耦合器(Splitter)4，所述光纤耦合器4的输入端与所述单模光纤3-2连接，所述光纤耦合器4的第一输出端用于输出所述泵浦光，所述光纤耦合器4的第二输出端用于输出所述探测光。
在其他是实施例中，其所述分束器4还可以为分束镜。具体分束器4的选择可以根据实际的需求来设定。
幅度调制模块5分别接收所述泵浦光和探测光，用于对所述泵浦光进行开关信号调制并对所述探测光进行光强强度调制。所述幅度调制模块5包括第一幅度调制器(Amplitude Modulation，AM)5-1和第二幅度调制器5-2。第一幅度调制器5-1和第二幅度调制器5-2与皮秒脉冲激光时间同步。
所述第一幅度调制器5-1设置在所述泵浦光的传播方向上，用于加载开关调制信号，又称之为通断键控信号(On Off Keying，OOK)。也即泵浦光的振幅随着数字基带信号(数字基带信号为二进制)而变化的数字调制，它是以单极性不归零码序列来控制泵浦光波的开启与关闭。
从第一幅度调制器5-1输出的皮秒脉冲激光输入至单向载流子传输光电探测器6(Uni Traveling Carrier Photo-detector，UTC-PD，经设置在单向载流子传输光电探测器6的后置天线，即可辐射太赫兹脉冲信号。由于单向载流子传输光电探测器6具有较高的响应度，能够实现大强度入射光和大电流的高速率输出，即探测光在单向载流子传输光电探测器6中传输就可激发出高功率、高速率的太赫兹脉冲信号。
为避免由于皮秒脉冲激光的功率过大而损坏太赫兹探测模块中的器件，在所述探测光的传播方向上设有所述第二幅度调制器5-2。第二幅度调制器5-2用于对所述探测光进行光强强度调制。第二幅度调制器5-2可以将探测端的脉冲重复频率降低数个数量级，以减小探测端的功率。
经过第二幅度调制器5-2调制后的探测光进入太赫兹探测装置7，同时辐射出的太赫兹脉冲信号也输送至太赫兹探测装置7，进而对辐射的太赫兹脉冲信号进行探测。
在一实施例中，所述太赫兹探测装置7包括光学延迟线模块7-1和光电导天线(Photoconductive Antenna，PCA)7-2，所述光学延迟线模块7-1用于调节所述泵浦光和探测光的时间延迟，所述光电导天线7-2用于探测所述太赫兹脉冲信号。
在另一实施例中，所述太赫兹探测装置包括光学延迟线模块和包络检波器，所述延光学迟线模块用于调节所述泵浦光和探测光的时间延迟，所述包络检波器用于探测所述太赫兹脉冲信号。其中，包络检波器为线性/非线性的大带宽包络检波器。当然，可以可根据实际的应用场景选择合适的探测器例如：线性/非线性的大带宽包络检波器或光电导天线，但是不限于此。
通过上述基于单向载流子传输光电探测器6的太赫兹发生系统，利用高重复率的皮秒脉冲发生装置产生10GHz以上的脉冲，同时利用单向传输载流子光电二极管(UTC-PD)保证太赫兹发射的功率，实现高速率的太赫兹脉冲通信。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，包括：
皮秒脉冲激光器，用于发射皮秒脉冲激光，所述皮秒脉冲激光器的重复频率大于等于10GHz；
传输模块，用于传输所述皮秒脉冲激光并实现所述皮秒脉冲激光的展宽；
分束器，用于将展宽的皮秒脉冲激光分成泵浦光和探测光；
幅度调制模块，用于分别接收所述泵浦光和探测光，并对所述泵浦光进行开关信号调制、对所述探测光进行光强强度调制；
单向载流子传输光电探测器，设置在所述泵浦光的传播方向上，用于激发所述泵浦光并辐射出太赫兹脉冲信号，并保证所述太赫兹脉冲信号发射的功率；
太赫兹探测装置，用于接收所述探测光并对所述太赫兹脉冲信号进行探测。
2.根据权利要求1所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述传输模块包括高非线性光纤，所述高非线性光纤用于传输皮秒脉冲激光并对所述皮秒脉冲激光进行展宽。
3.根据权利要求2所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述传输模块还包括单模光纤，所述单模光纤与所述高非线性光纤连接，所述单模光纤对所述展宽处理的皮秒脉冲激光进行色散补偿。
4.根据权利要求1所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述幅度调制模块包括第一幅度调制器和第二幅度调制器，所述第一幅度调制器设置在所述泵浦光的传播方向上，用于加载开关调制信号；
所述第二幅度调制器设置在所述探测光的传播方向上，用于对所述探测光进行光强强度调制。
5.根据权利要求1所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述太赫兹探测装置包括光学延迟线模块和光电导天线，所述光学延迟线模块用于调节所述泵浦光和探测光的时间延迟，所述光电导天线用于探测所述太赫兹脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述太赫兹探测装置包括光学延迟线模块和包络检波器，所述延光学迟线模块用于调节所述泵浦光和探测光的时间延迟，所述包络检波器用于探测所述太赫兹脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，还包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器设置在所述皮秒脉冲激光器与传输模块之间，用于对皮秒脉冲激光进行放大处理。
8.根据权利要求3所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述分束器为光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与所述单模光纤连接，所述光纤耦合器的第一输出端用于输出所述泵浦光，所述光纤耦合器的第二输出端用于输出所述探测光。
9.根据权利要求1所述的基于单向载流子传输光电探测器的太赫兹发生系统，其特征在于，所述分束器为分束镜。
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