CN112038873B - 一种太赫兹任意波形的产生方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹任意波形的产生方法和***，属于电学任意波形产生器技术领域，所述方法包括：S1、将光纤飞秒脉冲进行滤波得到具有矩形光谱的超短脉冲；S2、将超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；S3、将太赫兹任意波形对应的波形参数通过幅度调制器加载到矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，矩形时域波形与幅度调制器具有相同的偏振态；S4、将调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将时域压缩波形进行光电转换得到太赫兹任意波形。本申请将低带宽的波形参数通过幅度调制器加载到色散拉伸后的矩形时域波形上，再通过后置色散压缩后进行光电转换成电信号，可产生超大带宽的太赫兹任意波形。

Description

一种太赫兹任意波形的产生方法及***

技术领域

本发明属于电学任意波形产生器技术领域，更具体地，涉及一种太赫兹任意波形的产生方法及***。

背景技术

超大带宽(数十GHz乃至THz)的电学任意波形在高速光通信、生物医学、化学光谱分析、高分辨率的距离等领域有着广泛的应用需求。由于低带宽(10GHz以下)的频谱资源已出现明显拥挤和激烈竞争，当前电学任意波形正在朝着大带宽(数十GHz乃至THz)、高精度、高刷新速率(产生速率)、结构简单、大时间尺度5个方向发展。

传统的电子学方法具有产生精度高、刷新率高等优点，但受限于有限的数模转换器(DAC)速率，产生的任意波形带宽有限，低带宽任意波形虽可通过混频链路达到100GHz以上的太赫兹载波，但其带宽受限于混频链路的中频带宽，通常也很有限。另外，当前的超大带宽的任意波形产生难以在保证超大带宽、高精度、高刷新率的同时实现结构简单、大尺间尺度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太赫兹任意波形的产生方法及***，其目的在于解决现有技术中无法在保证超大带宽、高精度、高刷新率的同时实现结构简单、大尺间尺度的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太赫兹任意波形的产生方法及***。

一种太赫兹任意波形的产生方法，包括：

S1、将光纤飞秒脉冲进行滤波得到具有矩形光谱的超短脉冲；

S2、将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；

S3、将所述太赫兹任意波形对应的波形参数通过幅度调制器加载到所述矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态；

S4、将所述调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将所述时域压缩波形进行光电转换得到所述太赫兹任意波形。

在其中一个实施例中，所述步骤S2具体包括：

S201、将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射得到原始时域波形；

S202、对所述原始时域波形的偏振态进行调整，以使得到的所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态。

在其中一个实施例中，所述步骤S4具体包括：

S401、将所述调制时域波形进行时域上的色散压缩得到时域压缩波形，所述时域压缩波形的压缩倍数与压缩的色散量相关；

S402、将所述时域压缩波形中光信号转换为电信号得到所述太赫兹任意波形。

在其中一个实施例中，所述步骤S1之前，所述方法还包括：

利用飞秒脉冲光源产生脉宽小于100fs，脉冲重复频率为20MHz的所述光纤飞秒脉冲。

一种太赫兹任意波形的产生***，包括：

矩形光滤波器，用于将光纤飞秒脉冲进行滤波处理得到具有矩形光谱的超短脉冲；

时域转换模块，用于将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；

任意波形发生器，用于生成所述太赫兹任意波形对应的波形参数；

幅度调制器，与所述时域转换模块和所述任意波形发生器连接，用于将所述波形参数加载到所述矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态；

波形产生模块，与所述幅度调制器连接，用于将所述调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将所述时域压缩波形进行光电转换得到所述太赫兹任意波形。

在其中一个实施例中，所述时域转换模块包括：

色散拉伸光纤，用于将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射得到原始时域波形；

偏振控制器，与所述色散拉伸光纤连接，用于对所述原始时域波形的偏振态进行调整，以使得到所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态。

在其中一个实施例中，所述波形产生模块，包括：

后置压缩光纤，用于将所述调制时域波形进行时域上的色散压缩得到时域压缩波形，所述时域压缩波形的压缩倍数与压缩的色散量相关；

光电转换器，与所述后置压缩光纤连接，用于将所述时域压缩波形中的光信号转换为电信号并输出所述太赫兹任意波形。

在其中一个实施例中，所述***还包括：

飞秒脉冲光源，与所述矩形光滤波器连接，用于产生所述光纤飞秒脉冲。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明将低带宽的太赫兹任意波形的波形参数通过幅度调制器加载到色散拉伸后的矩形时域波形上，再通过后置色散压缩后进行光电转换成电信号，可实现低带宽的太赫兹任意波形的M倍压缩，从而获得超大带宽的太赫兹任意波形产生。

2.本发明只需一个幅度调制器，无需两次四波混频的时域透镜即可实现任意波形压缩，具有结构简单的优点。另外，本发明通过对低带宽的太赫兹任意波形进行M倍压缩，无需傅里叶变化，具有发展成熟的低带宽电学产生器的高精度、高刷新率等优点；本发明通过色散压缩无需时域透镜，不受限于时域透镜的孔径，可实现大时间尺度(ns量级)的任意波形产生。

3.本发明中太赫兹任意波形的产生***中全部采用光纤结构器件，无空间光学器件，结构紧凑，且利用进行时域压缩，使得超大带宽的任意波形刷新速率可达20MHz。

附图说明

图1为本申请一实施例中太赫兹任意波形的产生方法的流程图；

图2为本申请一实施例中步骤S2的流程图；

图3为本申请一实施例中步骤S4的流程图；

图4为本申请一实施例中太赫兹任意波形的产生***的结构示意图；

图5为本申请一实施例中带宽为40nm、中心波长在1550nm的光纤飞秒脉冲的光谱图；

图6为本申请一实施例中超短脉冲经过色散拉伸形成的原始时域波形的细节图；

图7为本申请一实施例中利用幅度调制器将5GHz余弦信号的波形参数加载到矩形时域波形上得到调制时域波形的细节图；

图8为本申请一实施例中利用幅度调制器将5GHz余弦信号的波形参数加载到矩形时域波形上得到调制时域波形的频域图；

图9为本申请一实施例中5GHz的调制时域波形被后置色散光纤40倍压缩后的时域压缩波形图；

图10为本申请一实施例中40倍压缩后的时域压缩波形的细节图；

图11为本申请一实施例中时域压缩波形(余弦信号)的射频谱；

图12为本申请一实施例5GHz余弦信号对应的时域压缩波形的射频谱的细节图；

图13为非对称三角波形通过40倍压缩后产生的超大带宽波形的细节图；

图14为5GHz线性扫频信号通过40倍压缩后产生的超大带宽的线性扫频信号的细节图；

图15为本申请一实施例中后置压缩光纤输出的200GHz的线性扫频信号的射频谱图；

图16为随机高度高斯脉冲串通过40倍压缩后产生的超大带宽高斯脉冲串的波形图；

图17为现有技术中30GHz余弦信号的射频谱图；

图18为本申请一实施例中40倍压缩后的余弦信号的射频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请提供一种太赫兹任意波形的产生方法，如图1所示，太赫兹任意波形的产生方法包括：步骤S1至步骤S4。其中，S1、将光纤飞秒脉冲进行滤波得到具有矩形光谱的超短脉冲；S2、将超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；S3、将太赫兹任意波形对应的波形参数通过幅度调制器加载到矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，矩形时域波形与幅度调制器具有相同的偏振态；S4、将调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将时域压缩波形进行光电转换得到太赫兹任意波形。在其中一个实施例中，步骤S1之前，方法还包括：利用飞秒脉冲光源产生脉宽小于100fs，脉冲重复频率为20MHz的光纤飞秒脉冲。本申请利用30GHz以下特别是5GHz以下的任意波形发生器获取太赫兹任意波形对应的波形参数，并将波形参数调制至矩形时域波形，进而产生带宽高达THz的太赫兹任意波形，一般太赫兹任意波形可从数十GHz到THz都可以。太赫兹任意波形的带宽很大，可以上百GHz，另外其载波可以很高，达到THz波段。例如30GHz余弦信号是载波是30GHz，带宽是几百MHz，但通过本申请中的方案可以产生到1200GHz的载波，带宽还在MHz量级；另外，带宽是1-5GHz的啁啾信号，通过本方案可产生5GHz-200 GHz都有的任意波形，即带宽很大的太赫兹任意波形。

在其中一个实施例中，如图2所示，步骤S2具体包括：S201、将超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射得到原始时域波形；S202、对原始时域波形的偏振态进行调整，以使得到的矩形时域波形与幅度调制器具有相同的偏振态。

在其中一个实施例中，如图3所示，步骤S4具体包括：S401、将调制时域波形进行时域上的色散压缩得到时域压缩波形，时域压缩波形的压缩倍数与压缩的色散量相关；S402、将时域压缩波形中光信号转换为电信号得到太赫兹任意波形。

举例来说，太赫兹任意波形的产生方法可以如下：

首先、利用飞秒脉冲光源如光纤锁模光纤激光器产生脉宽为50fs左右(约160nm)、50MHz的重复频率的超窄飞秒脉冲序列，即光纤飞秒脉冲；

其次、将光纤飞秒脉冲输入到可调带宽的矩形滤波器，将飞秒脉冲滤出矩形光谱平坦且带宽为Δω_p的超短脉冲，设每个滤出的超短脉冲的矩形频谱表示为：

rect表示矩形函数，其传输受限的傅里叶变换的时域形状为：

A₁(t)＝|Δω_p|sinc(Δω_pt) (2)

由此可见，每个超短脉冲的时域波形都是sinc函数，每个超短脉冲的宽度为t＝1/Δω_p，例如滤波器带宽为5THz(40nm)，则对应的超短脉冲宽度为200fs。

再次、滤波后的超短脉冲经过单模光纤进行色散拉伸，设单模光纤的色散量为Φ₁，其频域上的响应函数为：

其对应的时域冲击响应函数为：

因此滤波后的超短脉冲经过这段单模光纤进行色散拉伸后得到矩形时域波形，对应其在时域上进行卷积，因此输出光场为：

输出光场的时域包络是输入光谱的时域映射，本文中实现矩形光谱到时域的映射，带有二次相位调制，其时域尺度为：

ΔT_p＝Φ₁Δω_p (6)

该尺度可以映射到10ns以上，此时域宽度决定了能够添加在其上的低速数模转换器产生的任意波形的时间尺度，最终确定了该方法能产生的光学任意波形产生的时间序列长度。

然后、将色散拉伸后得到原始时域波形输入到偏振控制器，优化光场的偏振态，使原始时域波形与后面需要使用的幅度调制器的偏振态保持一致，从而降低光场在调制器中的传输损耗，优化调制效率。

另外，低带宽的任意波形发生器产生的任意波形x(t)且其时间长度小于ΔT_p，幅度|x(t)|<<V_π，也即小信号近似。此时的幅度调制器的幅度偏置电压为V_bias＝V_π，实现载波抑制调制，在这些条件下，经过调制后输出的光场为：

从该式可以看到，低带宽的任意波形发生器产生的任意波形x(t)通过幅度调制器加载到了矩形时域波形的光场上。

下一步、经过幅度调制器的光场输出的调制时域波形进入后后置压缩光纤，后置压缩光纤的色散量Φ₁与输入色散性质相反，因此可以用色散补偿光纤来实现，色散量大小为输入色散的关系为：

M为任意波形x(t)被压缩的倍数，此时后置压缩光纤的频域响应函数为：

其对应的时域冲击响应函数为

则经过后置压缩光纤的时域压缩波形为调制后光场和时域冲击响应函数的时域卷积，此时输出的时域压缩波形为：

对该式的卷积部分进行进一步展开即可获得

如果加载的任意波形信号的傅里叶频谱很窄，也即射频频率较低时，则此时有：

最终的输出时域表达式即可表示为：

从该表达式可以看出，当使用低带宽的电学波形产生器(同时满足近似条件)，则输出端时域压缩波形的光场幅度是被压缩M倍后的电学信号，但本身还带有一个二次相位调制。

经过后置压缩光纤输出的光场经过光电转换器件进行光电转化后得到的太赫兹任意波形的光电流为：

此时转换出的电信号是低带宽任意波形产生器产生的信号的M倍压缩。因此要产生大带宽的任意波形，只需在低带宽的任意波形产生器中编辑好该波形，再通过本方案进行时域压缩，即可得到高精度的任意波形产生。

本申请提供一种太赫兹任意波形的产生***，如图4所示，包括：矩形光滤波器10、时域转换模块20、任意波形发生器30、幅度调制器40和波形产生模块50。其中，矩形光滤波器10，用于将光纤飞秒脉冲进行滤波处理得到具有矩形光谱的超短脉冲；时域转换模块20，与矩形光滤波器10连接，用于将超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；任意波形发生器30，用于生成太赫兹任意波形对应的波形参数；幅度调制器40，与时域转换模块20和任意波形发生器30连接，用于将波形参数加载到矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，矩形时域波形与幅度调制器具有相同的偏振态；波形产生模块50，与幅度调制器40连接，用于将调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将时域压缩波形进行光电转换得到太赫兹任意波形。在其中一个实施例中，***还包括：飞秒脉冲光源60，与矩形光滤波器10连接，用于产生光纤飞秒脉冲。

在其中一个实施例中，如图4所示，时域转换模块20包括：色散拉伸光纤210，用于将超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射得到原始时域波形；偏振控制器220，与色散拉伸光纤210连接，用于对原始时域波形的偏振态进行调整，以使得到矩形时域波形与幅度调制器具有相同的偏振态。

在其中一个实施例中，如图4所示，波形产生模块50包括：后置压缩光纤510，用于将调制时域波形进行时域上的色散压缩得到时域压缩波形，时域压缩波形的压缩倍数与压缩的色散量相关；光电转换器520，与后置压缩光纤510连接，用于将时域压缩波形中的光信号转换为电信号并输出太赫兹任意波形。

本申请的低带宽任意波形产生器具有位数精度高、采样率高、价格便宜等优点，因此通过将调制时域波形压缩M倍后，即可产生大带宽的电学任意信号的同时，兼具了位数精度高、采样率高、价格便宜等优点。此外本申请采用时域压缩方案，其刷新率与采用的飞秒脉冲源保持一致，因此可达到数十MHz，相对于已有电学大带宽任意波形发生器而言，刷新率具有数量级的提升。另外，本申请中涉及到的高速电子器件只有高速探测器，光电调制器、低带宽任意波形发生器都属于低带宽电学器件，***成本低。

为了验证本发明能够在保证超大带宽、高精度、高刷新率的同时实现结构简单、大时间尺度的任意射电学形产生。本发明提供一种40倍时域压缩验证数据。其中，飞秒脉冲光源的重复频率为20MHz，矩形光滤波器带宽为40nm，色散量Φ₁为-1250ps/nm；使用的幅度调制器带宽仅为10GHz；任意波形发生器为Keysight公司的M8190A，提供的带宽为5GHz，采样率为120GSa/s，垂直位数可高达14位。如图5-18所示的仿真数据可知，本发明能够在保证超大带宽、高精度、高刷新率的同时实现结构简单、大时间尺度的设计出产生任意电学波形的***。

图5为本申请一实施例中带宽为40nm、中心波长在1550nm的光纤飞秒脉冲的光谱图，它是由光纤飞秒激光器产生并经过矩形滤波器进行光谱滤波得到的。

图6为本申请一实施例中超短脉冲经过色散拉伸光纤拉伸映射到时域上形成的原始时域波形图，因此其孔径可高达50ns。

图7为现有技术中利用幅度调制器将5GHz余弦信号的波形参数加载到矩形时域波形上得到调制时域波形图。

图8为本申请一实施例中利用幅度调制器将5GHz余弦信号的波形参数加载到矩形时域波形上得到调制时域波形的频域图，从该图中可以清晰看到在5GHz处有频率，这是实施例中任意波形发生器能产生的最大带宽。

图9为本申请一实施例中5GHz的调制时域波形被后置色散光纤40倍压缩后的时域压缩波形图，时间尺度可达到1.2ns，超过1ns，相对于目前大部分方法是属于大时间尺度。

图10为本申请一实施例中40倍压缩后的时域压缩波形的细节图，黑色信号是本申请产生的太赫兹余弦信号，黑线是理想太赫兹余弦信号，可以看到两者吻合度极好。说明本申请可高精度地产生目标任意波形。时间周期为5ps，意味着压缩后的余弦信号为200GHz。低带宽任意波形的采样率为120GS/s，通过40倍压缩后产生的压缩率可高达480GS/s，位数依然保持为14位数。即可以用5GHz带宽的电学任意发生器来产生太赫兹带宽的任意波形，且吻合度很好。也可以说明本方案中太赫兹任意波形产生***具有极好的性能。

图11为本申请一实施例中时域压缩波形(余弦信号)的射频谱，压缩产生的余弦信号在200GHz处产生新频率，该频率已在太赫兹波段，可以用光电导天线等转换为太赫兹信号。且余弦信号与低带宽的5GHz信号成40倍关系，与***设计的40倍压缩一致。换句话说，本方案可利用5GHz的低带宽任意波形发生器去产生高达200GHz的超大带宽信号。

图12为本申请一实施例时域压缩波形的射频谱的细节图，200GHz处的新频率带宽窄至700MHz，与傅里叶变换极限100MHz非常接近，这说明本方案可产生极窄带宽的新频率。

图13为非对称三角波形通过40倍压缩后产生的超大带宽波形的示意图，该图展示本方案的可重构性，低带宽任意波形发生器M8190A的非对称三角波形通过40倍压缩后产生的超大带宽的非对称三角波形，这是目前任意波形发生器很难产生的。

图14为5GHz线性扫频信号通过40倍压缩后产生的超大带宽的线性扫频信号的波形图，该图展示本方案的可重构性。低带宽任意波形发生器M8190A的5GHz线性扫频信号，这在微波段已经发展非常成熟，通过40倍压缩后产生的超大带宽的线性扫频信号(高达200GHz)，这种超大带宽的线性扫频信号可应用雷达等应用中，在当前技术手段里还是很难产生的。且其刷新率可高达20MHz。

图15为本申请一实施例中后置压缩光纤输出的200GHz的线性扫频信号的射频谱图，可将低带宽20MHz-5GHz的扫频信号倍频到带宽1GHz-200GHz。

图16为随机高度高斯脉冲串通过40倍压缩后产生的超大带宽高斯脉冲串的波形图，展示了本方案的可重构性，低带宽任意波形发生器M8190A的随机高度的高斯脉冲串通过40倍压缩后产生超大带宽随机高度高斯脉冲串，这是目前任意波形发生器很难产生的，刷新率可高达20MHz。

图17为现有技术中30GHz余弦信号的射频谱图。如Keysight公司5GHz的M8190A换成32GHz带宽的M8196A，采样率92GSa/s，垂直位数为8位，产生30GHz的余弦信号。图18为本申请一实施例中40倍压缩后的余弦信号的射频谱图，其时域波形被压缩了40倍，其射频频率从30GHz则被倍频到了1200GHz，已经达到了THz波段，这是当前任意波形发生器很难产生的，且其刷新率可高达20MHz。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太赫兹任意波形的产生方法，其特征在于，包括：

S1、将光纤飞秒脉冲进行滤波得到具有矩形光谱的超短脉冲；

S2、将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；

S3、将所述太赫兹任意波形对应的波形参数通过幅度调制器加载到所述矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态；

S4、将所述调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将所述时域压缩波形进行光电转换得到所述太赫兹任意波形；

所述步骤S4具体包括：

S401、控制所述调制时域波形进入后置压缩光纤进行时域上色散压缩得到时域压缩波形，所述时域压缩波形的压缩倍数M、所述后置压缩光纤的色散量Φ₁与输入色散Φ₂关系为：

S402、将所述时域压缩波形中光信号转换为电信号得到纳米量级的所述太赫兹任意波形。

2.如权利要求1所述的太赫兹任意波形的产生方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S201、将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射得到原始时域波形；

S202、对所述原始时域波形的偏振态进行调整，以使得到的所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态。

3.如权利要求1或2所述的太赫兹任意波形的产生方法，其特征在于，所述步骤S1之前，所述方法还包括：

利用飞秒脉冲光源产生脉宽小于100fs，脉冲重复频率为20MHz的所述光纤飞秒脉冲。

4.一种太赫兹任意波形的产生***，其特征在于，包括：

矩形光滤波器，用于将光纤飞秒脉冲进行滤波处理得到具有矩形光谱的超短脉冲；

时域转换模块，用于将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射，以获取矩形时域波形；

任意波形发生器，用于生成所述太赫兹任意波形对应的波形参数；

幅度调制器，与所述时域转换模块和所述任意波形发生器连接，用于将所述波形参数加载到所述矩形时域波形上进行调制得到调制时域波形，所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态；

波形产生模块，与所述幅度调制器连接，用于将所述调制时域波形进行时域压缩得到时域压缩波形，并将所述时域压缩波形进行光电转换得到所述太赫兹任意波形；

所述波形产生模块，包括：

后置压缩光纤，用于将所述调制时域波形进行时域上的色散压缩得到时域压缩波形，所述时域压缩波形的压缩倍数M、所述后置压缩光纤的色散量Φ₁与输入色散Φ₂关系为：

光电转换器，与所述后置压缩光纤连接，用于将所述时域压缩波形中的光信号转换为电信号并输出所述太赫兹任意波形。

5.如权利要求4所述的太赫兹任意波形的产生***，其特征在于，所述时域转换模块包括：

色散拉伸光纤，用于将所述超短脉冲进行色散拉伸实现矩形光谱到时域的映射得到原始时域波形；

偏振控制器，与所述色散拉伸光纤连接，用于对所述原始时域波形的偏振态进行调整，以使得到所述矩形时域波形与所述幅度调制器具有相同的偏振态。

6.如权利要求4或5所述的太赫兹任意波形的产生***，其特征在于，所述***还包括：

飞秒脉冲光源，与所述矩形光滤波器连接，用于产生所述光纤飞秒脉冲。

Images