CN105337144A - 基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***及方法 - Google Patents

基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***及方法，激光器产生连续光载波信号输入双平行马赫-增德尔调制器，功分器将调制微波信号分为两路微波信号，一路输入双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口，另一路输入移相器被移相90度后输入双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口，双平行马赫-增德尔调制器调制出两个边带光波进行放大和滤波处理后输入锥形硫系玻璃光纤中发生四波混频效应产生梳状光波，梳状光波通过滤波处理后得到需要的两个光频分量输入到光衰减器中将光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器中拍频出12倍频太赫兹波；优点是降低调制微波信号源的频率和器件带宽要求，减少成本。

Description

基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***及方法
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波生成技术，尤其是涉及一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***及其方法。
背景技术
太赫兹波技术在天文、生物医学、安全及环境监测、成像、宽带无线通信和雷达等方面均具有重大的科学价值和广阔的应用前景。太赫兹波通信技术具有毫米波通信及光通信的特性,可以应用于保密通信、星间通信及室内局域网通信等方面。
太赫兹量子级联激光器和返波管是常见的产生连续太赫兹波的器件。但是量子级联激光器需要制冷设备、调节范围小、使用寿命短(几百小时)；而返波管需要一个较强的外部磁场及一个稳定的高压源,且无法直接被调制,需要一个独立的高速太赫兹调制器或混频器。这些缺点限制了太赫兹波技术的发展。
相对来讲，利用光学倍频技术产生毫米波更具优势。光学倍频技术借助各种外调制器件及其它一些光学处理器件将低频微波信号调制到光波上，并产生高次谐波光边带，最后通过太赫兹探测器拍频产生目标太赫兹波信号。方案实现简单且稳定性高。
现有的应用光学倍频技术的太赫兹波生成***典型方案包括：利用马赫-增德尔调制器与滤波器串联产生四倍频太赫兹波信号；利用两个MZM级联产生四倍频太赫兹波信号；利用两个相位调制器并联产生六倍频太赫兹波信号等。但是，这些太赫兹波生成***实现的倍频数仍然较低，仍然需要较高频率的调制微波信号源，而且需要多个调制器，***成本难以降低，大大限制了该技术的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***，该太赫兹波生成***采用外部调制技术结合锥形硫系玻璃光纤四波混频效应实现频率的上变换，产生12倍频的太赫兹波信号，大大降低调制微波信号源的频率，克服光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，降低***器件带宽要求，减少***成本。
本发明解决上述技术问题之一所采用的技术方案为：一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***，包括用于产生光功率为0dBm的连续光载波信号的激光器、用于将调制微波信号分为两路微波信号的功分器、用于将微波信号移相90度的移相器、双平行马赫-增德尔调制器、用于将光功率放大到25dBm的掺铒光纤放大器、第一光滤波器、锥形硫系玻璃光纤、第二光滤波器、用于将光功率调整到0dBm的光衰减器和太赫兹波探测器；所述的调制微波信号的功率为15dBm；所述的锥形硫系玻璃光纤由普通硫系玻璃光纤拉锥而成，所述的锥形硫系玻璃光纤包括一体成型的第一未拉锥区、第二未拉锥区、第一锥形过渡区、第二锥形过渡区和锥腰，所述的第一未拉锥区的一端通过所述的第一锥形过渡区和所述的锥腰连接，所述的第二未拉锥区的一端通过所述的第二锥形过渡区和所述的锥腰连接；所述的第一未拉锥区和所述的第二未拉锥区相对于所述的锥腰对称，所述的第一锥形过渡区和所述的第二锥形过渡区相对于所述的锥腰对称，所述的第一未拉锥区和所述的第二未拉锥区的纤芯直径均为50um、所述的第一未拉锥区和所述的第二未拉锥区的包层直径均为500um，所述的锥腰的纤芯直径小于1um，所述的第一未拉锥区的另一端为所述的锥形硫系玻璃光纤的输入端，所述的第二未拉锥区的另一端为所述的锥形硫系玻璃光纤的输出端；所述的功分器具有两个输出端，分别为第一输出端和第二输出端，所述的功分器的第一输出端与所述的双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口连接，所述的功分器的第二输出端与所述的移相器的输入端连接，所述的移相器的输出端与所述的双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口连接；所述的激光器的输出端与所述的双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输入光端口连接；所述的双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输出光端口与所述的掺铒光纤放大器的输入端连接，所述的掺铒光纤放大器的输出端与所述的第一光滤波器的输入端连接，所述的第一光滤波器的输出端与所述的锥形硫系玻璃光纤的输入端连接，所述的锥形硫系玻璃光纤的输出端与所述的第二光滤波器的输入端连接，所述的第二光滤波器的输出端与所述的光衰减器的输入端连接，所述的光衰减器的输出端与所述的太赫兹波探测器的输入端连接；所述的双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，所述的双平行马赫-增德尔调制器的两个子调制器均偏置在最大传输点。
所述的激光器为分布反馈式激光器，所述的光衰减器为可调光衰减器。
与现有技术相比，本发明的太赫兹波生成***的优点在于通过激光器产生光功率为0dBm的连续光载波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的主调制器中，双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，两个子调制器偏置在最大传输点，功分器将功率为15dBm的10GHz调制微波信号分为两路微波信号，一路微波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器，另一路微波信号输入到移相器被移相90度后输入到双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器，双平行马赫-增德尔调制器对输入其内的连续光载波信号和微波信号进行调制后输出两个边带的光波，两个边带的光波首先通过掺铒光纤放大器进行放大处理，然后通过第一光滤波器滤除掺铒光纤放大器产生的带外噪声后注入锥形硫系玻璃光纤内，放大后的两个边带的光波在锥形硫系玻璃光纤发生四波混频效应产生梳状光波输出，第二光滤波器将梳状光波中的无用光频分量滤除，得到需要的两个光频分量后输入到光衰减器中，光衰减器将需要的两个光频分量的光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器中拍频后输出高频太赫兹波；由此采用外部调制技术结合四波混频效应实现频率的上变换，产生12倍频的太赫兹波信号，大大降低调制微波信号源的频率，克服光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，降低***器件带宽要求，减少***成本。
当激光器为分布反馈式激光器，可减小***噪声，光衰减器为可调光衰减器时，可调整太赫兹波探测器的输入功率，控制***的非线性失真。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，该太赫兹波生成方法采用外部调制技术结合锥形硫系玻璃光纤四波混频效应实现频率的上变换，产生12倍频的太赫兹波信号，大大降低调制微波信号源的频率，克服光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，降低器件带宽要求，减少***成本。
本发明解决上述技术问题之二所采用的技术方案为：一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，包括以下步骤：
①采用激光器产生光功率为0dBm的连续光载波信号，将该连续光载波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输入光端口；
②将功率为15dBm的调制微波信号通过功分器分为两路微波信号，将一路微波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口，将另一路微波信号输入到移相器中，移相器将该路微波信号移相90度后输入到双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口；
③调节双平行马赫-增德尔调制器的偏压，使双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，双平行马赫-增德尔调制器的两个子调制器均偏置在最大传输点；双平行马赫-增德尔调制器调制后输出两个边带的光波，两个边带的光波的频率差为调制微波信号频率的4倍；
④将两个边带的光波进行放大处理使其光功率放大到25dBm，然后进行滤波处理后输入到锥形硫系玻璃光纤中，两个边带的光波在锥形硫系玻璃光纤中发生四波混频效应产生梳状光波输出，该梳状光波的相邻光频成分之间的频率间隔为调制微波信号频率的4倍；
⑤将梳状光波中的无用光频分量滤除，得到需要的两个光频分量；
⑥采用光衰减器将需要的两个光频分量的光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器中拍频，输出太赫兹波，该太赫兹波的频率就等于输入到太赫兹波探测器的两个光频分量的频率差。
所述的激光器为分布反馈式激光器，所述的光衰减器为可调光衰减器。
所述的步骤④中采用掺铒光纤放大器进行放大处理，采用第一光滤波器进行滤波处理，所述的步骤⑤中采用第二光滤波器将梳状光波中的无用光频分量滤除。
与现有技术相比，本发明的太赫兹波生成方法的优点在于首先通过激光器产生光功率为0dBm的连续光载波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的主调制器输入光端口，双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，两个子调制器均偏置在最大传输点，功分器将功率为15dBm的10GHz调制微波信号分为两路微波信号，一路微波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口，另一路微波信号输入到移相器被移相90度后输入到双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口，双平行马赫-增德尔调制器对输入其内的连续光载波信号和微波信号进行调制后输出两个边带的光波，两个边带的光波进行放大处理使其光功率放大到25dBm，然后进行滤波处理后输入到锥形硫系玻璃光纤中，两个边带的光波在锥形硫系玻璃光纤中发生四波混频效应产生梳状光波输出，梳状光波中的无用光频分量被滤除后得到需要的两个光频分量输入到光衰减器中，光衰减器将需要的两个光频分量的光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器中拍频后输出高频太赫兹波；由此采用外部调制技术结合四波混频效应实现频率的上变换，产生12倍频的太赫兹波信号，大大降低调制微波信号源的频率，克服光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，降低***器件带宽要求，减少太赫兹波生成方法成本。
当激光器为分布反馈式激光器，可减小***噪声，光衰减器为可调光衰减器时，可调整太赫兹波探测器的输入功率，控制***的非线性失真。
当步骤④中采用掺铒光纤放大器进行放大处理，采用第一光滤波器进行滤波处理，所述的步骤⑤中采用第二光滤波器将梳状光波中的无用光频分量滤除，使得输出太赫兹波的频谱更加纯净。
附图说明
图1为本发明的太赫兹波生成***的原理框图；
图2为本发明的锥形硫系玻璃光纤的结构图；
图3为本发明的各步骤光波频率示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明的太赫兹波生成***作进一步详细描述。
实施例：如图1和图2所示，一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***，包括用于产生光功率为0dBm的连续光载波信号的激光器1、用于将调制微波信号分为两路微波信号的功分器2、用于将微波信号移相90度的移相器3、双平行马赫-增德尔调制器(MZM)4、用于将光功率放大到25dBm的掺铒光纤放大器(EDFA)5、第一光滤波器6、锥形硫系玻璃光纤7、第二光滤波器8、用于将光功率调整到0dBm的光衰减器9和太赫兹波探测器(PD)10；调制微波信号的功率为15dBm；
锥形硫系玻璃光纤7由普通硫系玻璃光纤拉锥而成，锥形硫系玻璃光纤7包括一体成型的第一未拉锥区71、第二未拉锥区72、第一锥形过渡区73、第二锥形过渡区74和锥腰75，第一未拉锥区71的一端通过第一锥形过渡区73和锥腰75连接，第二未拉锥区72的一端通过第二锥形过渡区74和锥腰75连接；第一未拉锥区71和第二未拉锥区72相对于锥腰75对称，第一锥形过渡区73和第二锥形过渡区74相对于锥腰75对称，第一未拉锥区71的纤芯711和第二未拉锥区72的纤芯721直径均为50um、第一未拉锥区71的包层712和第二未拉锥区72的包层722直径均为500um，锥腰75的纤芯751直径小于1um，第一未拉锥区71的另一端为锥形硫系玻璃光纤7的输入端，第二未拉锥区72的另一端为锥形硫系玻璃光纤7的输出端；
功分器2具有两个输出端，分别为第一输出端和第二输出端，功分器2的第一输出端与双平行马赫-增德尔调制器4的一个子调制器射频端口连接，功分器2的第二输出端与移相器3的输入端连接，移相器3的输出端与双平行马赫-增德尔调制器4的另一个子调制器射频端口连接；激光器1的输出端与双平行马赫-增德尔调制器4的主调制器的输入光端口连接；双平行马赫-增德尔调制器4的主调制器的输出光端口与掺铒光纤放大器5的输入端连接，掺铒光纤放大器5的输出端与第一光滤波器6的输入端连接，第一光滤波器6的输出端与锥形硫系玻璃光纤7的输入端连接，锥形硫系玻璃光纤7的输出端与第二光滤波器8的输入端连接，第二光滤波器8的输出端与光衰减器9的输入端连接，光衰减器9的输出端与太赫兹波探测器10的输入端连接。
本实施例中，激光器1为分布反馈式激光器，光衰减器9为可调光衰减器。
本实施例中，激光器1、功分器2、移相器3、双平行马赫-增德尔调制器4、掺铒光纤放大器5、第一光滤波器6、第二光滤波器8、光衰减器9和太赫兹波探测器(PD)10均采用其技术领域的成熟产品。
本实施例的太赫兹波生成***的工作过程如下所述：激光器1、功分器2、移相器3和双平行马赫-增德尔调制器4组合实现载波抑制双边带调制功能，掺铒光纤放大器(EDFA)5、第一光滤波器6和锥形硫系玻璃光纤7组合实现四波混频功能，第二光滤波器8、光衰减器9和太赫兹波探测器(PD)10组合实现太赫兹波生成功能；激光器1产生光功率为0dBm的连续光载波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器4的输入光端口，功分器2将功率为15dBm的调制微波信号分为两路微波信号，一路微波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器4的一个子调制器射频端口，另一路微波信号输入到移相器3被移相90度后输入到双平行马赫-增德尔调制器4的另一个子调制器射频端口，双平行马赫-增德尔调制器4对输入其内的连续光载波信号和微波信号进行载波抑制双边带调制后输出两个边带的光波，两个边带的光波首先通过掺铒光纤放大器5进行放大处理，然后通过第一光滤波器6滤除掺铒光纤放大器5产生的带外噪声后注入锥形硫系玻璃光纤7内，放大后的两个边带的光波在锥形硫系玻璃光纤7发生四波混频效应产生梳状光波输出，第二光滤波器8将梳状光波中的无用光频分量滤除，得到需要的两个光频分量后输入到光衰减器9中，光衰减器9将需要的两个光频分量的光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器10中拍频后输出高频太赫兹波，本发明各步骤光波频率示意图如图3所示。
本实施例的基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***采用外部调制技术结合锥形硫系玻璃光纤四波混频效应实现频率的上变换，产生12倍频的太赫兹波信号，大大降低调制微波信号源的频率，克服光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，降低***器件带宽要求，减少***成本。
本发明还提供了一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，以下结合附图实施例对本发明的太赫兹波生成方法作进一步详细描述。
实施例：一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，包括以下步骤：
①采用激光器产生光功率为0dBm的连续光载波信号，将该连续光载波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输入光端口；
②将功率为15dBm的调制微波信号通过功分器分为两路微波信号，将一路微波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口，将另一路微波信号输入到移相器中，移相器将另一路微波信号移相90度后输入到双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口；
③调节双平行马赫-增德尔调制器的偏压，使双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，双平行马赫-增德尔调制器的两个子调制器均偏置在最大传输点；双平行马赫-增德尔调制器调制后输出两个边带的光波，两个边带的光波的频率差为调制微波信号频率的4倍；
④将两个边带的光波进行放大处理使其光功率放大到25dBm，然后进行滤波处理后输入到锥形硫系玻璃光纤中，两个边带的光波在锥形硫系玻璃光纤中发生四波混频效应产生梳状光波输出，该梳状光波的相邻光频成分之间的频率间隔为调制微波信号频率的4倍；
⑤将梳状光波中的无用光频分量滤除，得到需要的两个光频分量；
⑥采用光衰减器将需要的两个光频分量的光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器中拍频，输出太赫兹波，该太赫兹波的频率就等于输入到太赫兹波探测器的两个光频分量的频率差。
本实施例中，激光器为分布反馈式激光器，光衰减器为可调光衰减器。
本实施例中，步骤④中采用掺铒光纤放大器进行放大处理，采用第一光滤波器进行滤波处理，步骤⑤中采用第二光滤波器将梳状光波中的无用光频分量滤除。
本实施例的基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法采用外部调制技术结合锥形硫系玻璃光纤四波混频效应实现频率的上变换，产生12倍频的太赫兹波信号，大大降低调制微波信号源的频率，克服光纤无线通信技术中产生太赫兹波的微波驱动信号频率和调制器带宽问题，降低器件带宽要求，减少***成本。

Claims (5)

1.一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成***，其特征在于包括用于产生光功率为0dBm的连续光载波信号的激光器、用于将调制微波信号分为两路微波信号的功分器、用于将微波信号移相90度的移相器、双平行马赫-增德尔调制器、用于将光功率放大到25dBm的掺铒光纤放大器、第一光滤波器、锥形硫系玻璃光纤、第二光滤波器、用于将光功率调整到0dBm的光衰减器和太赫兹波探测器；所述的调制微波信号的功率为15dBm；
所述的锥型硫系玻璃光纤由普通硫系玻璃光纤拉锥而成，所述的锥形硫系玻璃光纤包括一体成型的第一未拉锥区、第二未拉锥区、第一锥形过渡区、第二锥形过渡区和锥腰，所述的第一未拉锥区的一端通过所述的第一锥形过渡区和所述的锥腰连接，所述的第二未拉锥区的一端通过所述的第二锥形过渡区和所述的锥腰连接；所述的第一未拉锥区和所述的第二未拉锥区相对于所述的锥腰对称，所述的第一锥形过渡区和所述的第二锥形过渡区相对于所述的锥腰对称，所述的第一未拉锥区和所述的第二未拉锥区的纤芯直径均为50um、所述的第一未拉锥区和所述的第二未拉锥区的包层直径均为500um，所述的锥腰的纤芯直径小于1um，所述的第一未拉锥区的另一端为所述的锥形硫系玻璃光纤的输入端，所述的第二未拉锥区的另一端为所述的锥形硫系玻璃光纤的输出端；
所述的功分器具有两个输出端，分别为第一输出端和第二输出端，所述的功分器的第一输出端与所述的双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口连接，所述的功分器的第二输出端与所述的移相器的输入端连接，所述的移相器的输出端与所述的双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口连接；所述的激光器的输出端与所述的双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输入光端口连接；所述的双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输出光端口与所述的掺铒光纤放大器的输入端连接，所述的掺铒光纤放大器的输出端与所述的第一光滤波器的输入端连接，所述的第一光滤波器的输出端与所述的锥形硫系玻璃光纤的输入端连接，所述的锥形硫系玻璃光纤的输出端与所述的第二光滤波器的输入端连接，所述的第二光滤波器的输出端与所述的光衰减器的输入端连接，所述的光衰减器的输出端与所述的太赫兹波探测器的输入端连接；
所述的双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，所述的双平行马赫-增德尔调制器的两个子调制器均偏置在最大传输点。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波生成***，其特征在于所述的激光器为分布反馈式激光器，所述的光衰减器为可调光衰减器。
3.一种基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，其特征在于包括以下步骤：
①采用激光器产生光功率为0dBm的连续光载波信号，将该连续光载波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的主调制器的输入光端口；
②将功率为15dBm的调制微波信号通过功分器分为两路微波信号，将一路微波信号输入到双平行马赫-增德尔调制器的一个子调制器射频端口，将另一路微波信号输入到移相器中，移相器将另一路微波信号移相90度后输入到双平行马赫-增德尔调制器的另一个子调制器射频端口；
③调节双平行马赫-增德尔调制器的偏压，使双平行马赫-增德尔调制器的主调制器偏置在最小传输点，双平行马赫-增德尔调制器的两个子调制器均偏置在最大传输点；双平行马赫-增德尔调制器调制后输出两个边带的光波，两个边带的光波的频率差为调制微波信号频率的4倍；
④将两个边带的光波进行放大处理使其光功率放大到25dBm，然后进行滤波处理后输入到锥形硫系玻璃光纤中，两个边带的光波在锥形硫系玻璃光纤中发生四波混频效应产生梳状光波输出，该梳状光波的相邻光频成分之间的频率间隔为调制微波信号频率的4倍；
⑤将梳状光波中的无用光频分量滤除，得到需要的两个光频分量；
⑥采用光衰减器将需要的两个光频分量的光功率调整到0dBm后输入到太赫兹波探测器中拍频，输出太赫兹波，该太赫兹波的频率就等于输入到太赫兹波探测器的两个光频分量的频率差。
4.根据权利要求3所述的基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，其特征在于所述的激光器为分布反馈式激光器，所述的光衰减器为可调光衰减器。
5.根据权利要求3所述的基于锥形硫系光纤四波混频的太赫兹波生成方法，其特征在于所述的步骤④中采用掺铒光纤放大器进行放大处理，采用第一光滤波器进行滤波处理，所述的步骤⑤中采用第二光滤波器将梳状光波中的无用光频分量滤除。
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