基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統的製作方法

2023-12-04 17:11:56

本發明涉及太赫茲技術領域，特別是涉及基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統。

背景技術：

太赫茲頻段，由於其器件層面可以媲美光學頻段的巨大的帶寬資源，被認為是下一代通信的目標頻段之一，而在太赫茲頻段，使用連續波(點載頻)的通信系統獲得了較為充分的研究，而類比光學頻段的通信，除針對連續波的調製及信號發射方式外，使用脈衝發射也是一類主流的方式，對比連續波調製發射，脈衝發射具有帶寬更大，通信速率更高，脈衝保持距離更長的優勢。

目前，在太赫茲頻段，連續波調製是信號加載的主流方式，脈衝調製由於重複率(repetition rate)較低、脈衝功率小等問題很難實現高速傳輸。

技術實現要素：

基於此，有必要針對上述問題，提供一種重複率高、脈衝功率大的基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統。

一種基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統，包括：

皮秒脈衝雷射器，用於發射皮秒脈衝雷射；

傳輸模塊，用於傳輸所述皮秒脈衝雷射並實現所述皮秒脈衝雷射的展寬；

分束器，用於將展寬的皮秒脈衝雷射分成泵浦光和探測光；

幅度調製模塊，用於分別接收所述泵浦光和探測光，並對所述泵浦光進行開關信號調製、對所述探測光進行光強強度調製；

單向載流子傳輸光電探測器，設置在所述泵浦光的傳播方向上，用於激發所述泵浦光並輻射出太赫茲脈衝信號；

太赫茲探測裝置，用於接收所述探測光並對所述太赫茲脈衝信號進行探測。

在其中一個實施例中，所述傳輸模塊包括高非線性光纖，所述高非線性光纖用於傳輸皮秒脈衝雷射並對所述皮秒脈衝雷射進行展寬。

在其中一個實施例中，所述傳輸模塊還包括單模光纖，所述單模光纖與所述高非線性光纖連接，所述單模光纖對所述展寬處理的皮秒脈衝雷射進行色散補償。

在其中一個實施例中，所述幅度調製模塊包括第一幅度調製器和第二幅度調製器，所述第一幅度調製器設置在所述泵浦光的傳播方向上，用於加載開關調製信號；

所述第二幅度調製器設置在所述探測光的傳播方向上，用於對所述探測光進行光強強度調製。

在其中一個實施例中，所述太赫茲探測裝置包括光學延遲線模塊和光電導天線，所述光學延遲線模塊用於調節所述泵浦光和探測光的時間延遲，所述光電導天線用於探測所述太赫茲脈衝信號。

在其中一個實施例中，所述太赫茲探測裝置包括光學延遲線模塊和包絡檢波器，所述延光學遲線模塊用於調節所述泵浦光和探測光的時間延遲，所述包絡檢波器用於探測所述太赫茲脈衝信號。

在其中一個實施例中，還包括摻鉺光纖放大器，所述摻鉺光纖放大器設置在所述皮秒脈衝雷射器與傳輸模塊之間，用於對皮秒脈衝雷射進行放大處理。

在其中一個實施例中，所述分束器為光纖耦合器，所述光纖耦合器的輸入端與所述單模光纖連接，所述光纖耦合器的第一輸出端用於輸出所述泵浦光，所述光纖耦合器的第二輸出端用於輸出所述探測光。

在其中一個實施例中，所述分束器為分束鏡。

在其中一個實施例中，所述皮秒脈衝雷射器的重複頻率大於等於10GHz。

上述單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統包括皮秒脈衝雷射器、傳輸模塊、分束器、幅度調製模塊、單向載流子傳輸光電探測器以及太赫茲探測裝置。皮秒脈衝雷射器發射出重複頻率較高的皮秒兩級的脈衝雷射，經傳輸模塊傳輸且可實現皮秒脈衝雷射的光譜展寬，以獲得脈寬為數十至數百左右飛秒。繼而經幅度調製模塊調製後輸入至單向載流子傳輸光電探測器，由於單向載流子傳輸光電探測器可實現大光強、高速率傳輸特性，就可激發出高功率、高速率的太赫茲脈衝信號，從而實現高功率、高速率的太赫茲脈衝信號通信。

附圖說明

圖1為基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統的光路圖。

圖中標記：皮秒脈衝雷射器 1、摻鉺光纖放大器 2、高非線性光纖 3-1、單模光纖 3-2、光纖耦合器 4、第一幅度調製器 5-1、第二幅度調製器 5-2、單向載流子傳輸光電探測器 6、光學延遲線模塊 7-1、光電導天線 7-2。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語「和/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示的為基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統的光路圖；基於單向載流子傳輸光電探測器的太赫茲發生系統包括皮秒脈衝雷射器1、傳輸模塊3、分束器4、幅度調製模塊5、單向載流子傳輸光電探測器6以及太赫茲探測裝置7。皮秒脈衝雷射器1發射出重複頻率較高的皮秒兩級的脈衝雷射，經傳輸模塊3傳輸且可實現皮秒脈衝雷射的光譜展寬，以獲得脈寬為數十至數百左右飛秒。繼而經幅度調製模塊5調製後輸入至單向載流子傳輸光電探測器6，由於單向載流子傳輸光電探測器6可實現大光強、高速率傳輸特性，就可激發出高功率、高速率的太赫茲脈衝信號，從而實現高功率、高速率的太赫茲脈衝信號通信。同時，太赫茲探測裝置7還可以對輻射出的太赫茲脈衝信號進行探測。

皮秒脈衝雷射器1，用於發射皮秒脈衝雷射。皮秒脈衝雷射器1是一款脈寬為皮秒的雷射器。具有皮秒級超短脈寬、重複頻率可調、脈衝能量高等特點。在一實施例中，皮秒脈衝雷射器1的重複頻率大於等於10GHz，其脈衝寬度約為1.5皮秒(ps)。

在一實施例中，基於單向載流子傳輸光電探測器6的太赫茲發生系統還包括摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)2，所述摻鉺光纖放大器2設置在所述皮秒脈衝雷射器1與傳輸模塊3之間，用於對皮秒脈衝雷射進行放大處理。對於輸入的皮秒脈衝雷射而言，在脈衝寬度一定的情況下，顯然其峰值功率越高，則展譜效果也好，脈衝通過摻鉺光纖放大器2放大可以提高其峰值功率。

在其他實施例中，還可以用光纖拉曼放大器(Optical Fiber Raman Amplifier，OFRA)實現對脈衝雷射的放大，提供其皮秒脈衝雷射的峰值功率。

傳輸模塊3，用於傳輸所述皮秒脈衝雷射並實現所述皮秒脈衝雷射的展寬。所述傳輸模塊3包括高非線性光纖(High Nonlinear Fiber，HNLF)3-1，所述高非線性光纖3-1用於傳輸皮秒脈衝雷射並對所述皮秒脈衝雷射進行展寬。只需要較小的泵浦光功率和較短的高非線性光纖3-1就可以達到高效的非線性作用效果，通過提高該高非線性光纖3-1的超連續譜(Supercontinuum，SC)的產生效率，即可實現脈衝光譜展寬。

所述傳輸模塊3還包括單模光纖(Single Mode Fiber，SMB)3-2，所述單模光纖3-2與所述高非線性光纖3-2連接，所述單模光纖3-2對所述展寬處理的皮秒脈衝雷射進行色散補償。

經摻鉺光纖放大器2放大的皮秒脈衝雷射經過高正常色散的高非線性光纖3-1，得到光譜展寬的線性正啁啾SC脈衝，然後經過相應長度的標準單模光纖3-2進行啁啾補償壓縮，以再次提高脈衝的峰值功率，同時還能進行色散補償，這樣就可以獲得脈寬為數十至數百左右飛秒，重複頻率高達10GHz以上的皮秒脈衝雷射，實現光譜展寬。

在本實施例中，基於單向載流子傳輸光電探測器6的太赫茲發生系統中，其分束器4、幅度調製模塊5、單向載流子傳輸光電探測器6以及太赫茲探測裝置7之間也可設置高非線性光纖3-1對皮秒脈衝雷射進行傳輸，可以大大縮小傳輸空間的尺寸，具有小型化，同時，便於安裝及調試。

分束器4，用於將展寬的皮秒脈衝雷射分成泵浦光和探測光。在一實施例中，分束器4為光纖耦合器(Splitter)4，所述光纖耦合器4的輸入端與所述單模光纖3-2連接，所述光纖耦合器4的第一輸出端用於輸出所述泵浦光，所述光纖耦合器4的第二輸出端用於輸出所述探測光。

在其他是實施例中，其所述分束器4還可以為分束鏡。具體分束器4的選擇可以根據實際的需求來設定。

幅度調製模塊5分別接收所述泵浦光和探測光，用於對所述泵浦光進行開關信號調製並對所述探測光進行光強強度調製。所述幅度調製模塊5包括第一幅度調製器(Amplitude Modulation，AM)5-1和第二幅度調製器5-2。第一幅度調製器5-1和第二幅度調製器5-2與皮秒脈衝雷射時間同步。

所述第一幅度調製器5-1設置在所述泵浦光的傳播方向上，用於加載開關調製信號，又稱之為通斷鍵控信號(On Off Keying，OOK)。也即泵浦光的振幅隨著數字基帶信號(數字基帶信號為二進位)而變化的數字調製，它是以單極性不歸零碼序列來控制泵浦光波的開啟與關閉。

從第一幅度調製器5-1輸出的皮秒脈衝雷射輸入至單向載流子傳輸光電探測器6(Uni Traveling Carrier Photo-detector，UTC-PD，經設置在單向載流子傳輸光電探測器6的後置天線，即可輻射太赫茲脈衝信號。由於單向載流子傳輸光電探測器6具有較高的響應度，能夠實現大強度入射光和大電流的高速率輸出，即探測光在單向載流子傳輸光電探測器6中傳輸就可激發出高功率、高速率的太赫茲脈衝信號。

為避免由於皮秒脈衝雷射的功率過大而損壞太赫茲探測模塊中的器件，在所述探測光的傳播方向上設有所述第二幅度調製器5-2。第二幅度調製器5-2用於對所述探測光進行光強強度調製。第二幅度調製器5-2可以將探測端的脈衝重複頻率降低數個數量級，以減小探測端的功率。

經過第二幅度調製器5-2調製後的探測光進入太赫茲探測裝置7，同時輻射出的太赫茲脈衝信號也輸送至太赫茲探測裝置7，進而對輻射的太赫茲脈衝信號進行探測。

在一實施例中，所述太赫茲探測裝置7包括光學延遲線模塊7-1和光電導天線(Photoconductive Antenna，PCA)7-2，所述光學延遲線模塊7-1用於調節所述泵浦光和探測光的時間延遲，所述光電導天線7-2用於探測所述太赫茲脈衝信號。

在另一實施例中，所述太赫茲探測裝置包括光學延遲線模塊和包絡檢波器，所述延光學遲線模塊用於調節所述泵浦光和探測光的時間延遲，所述包絡檢波器用於探測所述太赫茲脈衝信號。其中，包絡檢波器為線性/非線性的大帶寬包絡檢波器。當然，可以可根據實際的應用場景選擇合適的探測器例如：線性/非線性的大帶寬包絡檢波器或光電導天線，但是不限於此。

通過上述基於單向載流子傳輸光電探測器6的太赫茲發生系統，利用高重複率的皮秒脈衝發生裝置產生10GHz以上的脈衝，同時利用單向傳輸載流子光電二極體(UTC-PD)保證太赫茲發射的功率，實現高速率的太赫茲脈衝通信。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。