專利名稱：基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波光子學技術中太赫茲通信領域。
背景技術：
太赫茲波被越來越多的研究者關注，其在物理、化學、材料科學、通訊、探測、生物 和醫(yī)學等領域都有良好的應用前景。但是高性能太赫茲波的產生是實現應用的關鍵點和難 點。但在過去相當長的時間里，由于缺乏有效的產生和檢測方法，相對成熟的微波和光學技 術，對該波段的研究進展相當緩慢。太赫茲波段甚至被人們稱為電磁波譜中的太赫茲空隙。 太赫茲空隙出現的重要原因是因為太赫茲波段處于電子學和光學兩個研究領域之間，僅僅 利用電子學或者光子學的技術和器件都不滿足太赫茲波的需要，只有結合兩方面的知識， 開發(fā)全新的技術和元器件才能對該波段的電磁波進行更深入研究和開發(fā)利用。光生太赫茲波技術，是微波光子學的研究領域的一個分支。微波光子學是光纖技 術與微波技術相互融合的交叉性學科，利用光子學領域的技術手段來解決微波領域的問 題。因而光生太赫茲波技術是結合電子學和光子學的方式來產生高性能的太赫茲波。

發(fā)明內容
針對上述現有技術，本發(fā)明目的旨在提出一種基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝 置及方法，與傳統(tǒng)的太赫茲產生裝置相比，采用這種外部調制的方法，系統(tǒng)結構簡單緊湊， 成本較低，產生的太赫茲波性能穩(wěn)定。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是，一種基于雙邊帶調制的太赫茲 波產生裝置，包括微波信號源、單模激光器、電信號倍頻器、強度調制器、光濾波器、光纖放 大器、光電探測器和天線，本發(fā)明的特征在于，所述微波信號源輸出的低頻微波信號輸入電 信號倍頻器的輸入端，電信號倍頻器的輸出端輸出高頻微波信號，所述高頻微波信號與單 模激光器的輸出光信號一并作為強度調制器的輸入信號，強度調制器輸出端輸出的光信號 依次經光濾波器和光纖放大器后，輸出兩個一階邊帶的放大光信號；所述兩個一階邊帶的 放大光信號再經光電探測器輸入天線的信號接收端。作為優(yōu)選方案，所述微波信號源采用市售的美國安捷倫公司E8257D型號信號發(fā) 生器。由于馬赫-曾德爾強度調制器(MZM)具有非線性的調制特性，進行模擬調制時會產 生一系列諧波，因此本發(fā)明優(yōu)選其作為強度調制器來實現光倍頻。光濾波器可采用光交錯 復用器對光信號中心載波進行濾除。一種基于雙邊帶調制的太赫茲波產生方法，包括如下步驟1)微波信號源輸出低頻微波信號，經電信號倍頻器進行倍頻和放大處理后，輸出 高頻的微波信號，同時，單模激光器產生一個連續(xù)的光信號；2)上述電信號倍頻器輸出的高頻的微波信號驅動強度調制器對所述光信號進行 調制，將高頻的微波信號調制到光信號的邊帶上，產生包括中心載波和兩個一階邊帶的雙 邊帶信號；
3)輸出的雙邊帶信號經光濾波器濾除調制光信號的中心載波，得到兩個一階邊帶 信號，所述兩個一階邊帶的頻率差兩倍于驅動強度調制器的微波信號頻率；4)所述兩個一階邊帶信號經光纖放大器進行功率放大后，輸出兩個一階邊帶的放 大光信號；5)所述兩個一階邊帶的放大光信號再經光電探測器產生電太赫茲信號，最后經天 線發(fā)出太赫茲波。本發(fā)明的工作原理及過程是利用單模激光器產生一個連續(xù)光信號；同時，采用 微波信號源產生一個低頻微波信號，經過一個電信號倍頻器在電域倍頻后，產生高頻微波 信號，驅動強度調制器直接調制光信號由微波源信號Ekf (t) = VEFcos (co EFt+ 0 )驅動馬赫-曾德爾強度調制器MZM，將微 波信號調制在光載波& = Acos( ct)上，則輸出的光信號可表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>其中，VEF為微波信號的幅度，V,為MZM的半波電壓，Vdc為直流偏置電壓，《KF為 微波源頻率，《。為光載波頻率，9為微波信號的相位。(1)式中置e = ，Vdc = W2，通過Bessel展開，近似表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)其中1 Z。^^’〕表示為MZM的調制深度。由上可知，雙邊帶調制信號的光譜能量主要集中在頻率為《。的中心載波和頻率 分別為(《。-coKF)和(《。+ KF)的兩個一階邊帶上，( c-C0RF)和(《。+C0KF)兩個一階邊帶 的頻率差兩倍于微波驅動信號頻率。這兩個一階邊帶由同一個光源調制產生，因此是相干 的。利用光濾波器濾除中心載波頻率成分，只保留相干的兩個一階邊帶，再將剩余的兩個一 階邊帶通過光纖放大器進行功率放大后，輸入到光電探測器，可以得到的電信號為，
<formula>formula see original document page 4</formula>(3)其中，R表示為光電探測器轉換效率，《2分別表示為輸入到光電探測器兩個 光波的頻率，分別表示為輸入到光電探測器兩個光波的相位，Pi，P2*別表示為輸入 到光電探測器兩個光波的光功率。( 。_ KF)和("。+"KF)的兩個一階邊帶同一個光源調制產生，是相干的光波，即 為常量，其頻率差為微波源頻率的兩倍，因而通過光電探測器拍頻產生電太赫
茲信號，最后通過天線產生太赫茲波。本發(fā)明所述基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置和方法將高頻電信號通過強度 調制器在調制端將其調制到光波上，產生雙邊帶光信號，實現光倍頻，再通過光電探測器得 到太赫茲波。用外部調制的方法產生太赫茲波，一方面處于成本上考慮，由于光學上的光源、光放大器件、調制器都已經商用了，技術非常成熟，價格相對便宜。另一方面，頻率為100GHz以上的太赫茲信號在電域上非常難處理，面臨無法突破的電子瓶頸。而用外部調制 器產生的太赫茲波，具有相位噪聲低、器件帶寬要求低的優(yōu)點，再加上太赫茲波如今還沒有 合適的低損耗的傳輸介質，其在大氣和普通介質中傳輸損耗很大，而在光纖中傳輸損耗小、 且信號可以利用光纖放大器放大，因而產生的太赫茲信號的功率可以得到保障，能遠距離 傳輸，有效的解決了太赫茲波傳輸問題。


圖1為本發(fā)明的實現方案結構示意圖；在圖中1-單模激光器2-強度調制器3-光濾波器4-光纖放大器5-光電探測器6-天線7-微波信號源8-電信號倍頻器9-太赫茲波輸出
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖，對本發(fā)明作具體說明。由圖1所示，本實施例提出一種基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置，包括單模 激光器1、電信號倍頻器8、強度調制器2、光濾波器3、光纖放大器4、光電探測器(PD) 5和天 線6，其中有低頻微波信號輸入電信號倍頻器8，電信號倍頻器8的輸出信號與單模激光器1 的輸出光信號一并作為強度調制器2的輸入信號，強度調制器2輸出信號依次經光濾波器 3和光纖放大器4后，再經光電探測器5產生電太赫茲信號，最后經天線6發(fā)出太赫茲波。上述各部件的功能分別說明如下單模激光器1，用于產生指定波長的單縱模光載波；強度調制器2，用于對指定波長的單縱模光載波進行雙邊帶調制；本實施例優(yōu)選 采用馬赫_曾德爾強度調制器(MZM)；光濾波器3，用于濾除調制信號的中心載波，保留兩個一階邊帶；光纖放大器4，用于對光太赫茲波信號功率進行放大；光電探測器5 (PD)，用于將光太赫茲信號轉變?yōu)殡娞掌澬盘?，本實施例采用市?的光電探測器；天線6，用于將電太赫茲信號以太赫茲波的形式發(fā)射出去，本實施例采用市售的太 赫茲天線；微波信號源7，用于產生可調頻率的低頻微波信號，本實施例采用市售的微波信號 發(fā)生器；電信號倍頻器8，用于將低頻微波信號源電四倍頻為高頻的微波信號，本實施例采 用市售的電倍頻器；本發(fā)明所采用的基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置工作工程如下利用單模激光器1產生一個連續(xù)光信號；采用市售的美國安捷倫公司E8257D型號 信號發(fā)生器發(fā)出微波信號7，再經過電信號倍頻器8的倍頻和放大后，驅動強度調制器2實 現光信號的雙邊帶調制；再通過光濾波器3濾除調制光信號的中心載波，得到兩個一階邊帶信號，其頻率差間隔為太赫茲頻段；接著通過光纖放大器4對一階邊帶信號功率進行放 大，然后利用光電探測器5，產生電太赫茲波信號，最后通過太赫茲天線發(fā)射出去。本實施例利用強度調制器將電倍頻后的微波信號調制到光信號上，實現雙邊帶調 制，產生光生太赫茲波信號。目前產生毫米波的R0F技術已經廣泛的應用于光纖_無線的 研究中，由于其成本低和性能的可靠性被越來越多的研究者接受。將R0F產生的毫米波信 號擴展到產生太赫茲波信號，同樣可以產生高性能的太赫茲波信號。與以往的產生太赫茲波信號方式相比，本實施例結合了電子學和光子學產生太赫 茲波的方式。有效的克服了兩者的不足?；赗0F技術產生太赫茲波延續(xù)了光纖-無線系 統(tǒng)結構簡單、成本低、可移植性好的特點，此外借助光纖介質還可以實現對光太赫茲信號的 長距離傳輸，更利于太赫茲波的實際應用。本發(fā)明所指范圍并不局限于上述實施例所述具體器件，凡是采用了與上述器件技 術效果一致的其他相似器件構成的基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置，均應在本發(fā)明保 護范圍之內。
權利要求
一種基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置，包括微波信號源、單模激光器、電信號倍頻器、強度調制器、光濾波器、光纖放大器、光電探測器和天線，其特征在于，所述微波信號源輸出的低頻微波信號輸入電信號倍頻器的輸入端，電信號倍頻器的輸出端輸出高頻微波信號，所述高頻微波信號與單模激光器的輸出光信號一并作為強度調制器的輸入信號，強度調制器輸出端輸出的光信號依次經光濾波器和光纖放大器后，輸出兩個一階邊帶的放大光信號；所述兩個一階邊帶的放大光信號再經光電探測器輸入天線的信號接收端。
2.根據權利要求1所述基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置，其特征在于，所述微波 信號源采用美國安捷倫公司E8257D型號信號發(fā)生器。
3.根據權利要求1或2所述基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置，其特征在于，所述強 度調制器采用的是馬赫-曾德爾強度調制器。
4.根據權利要求1或2所述基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置，其特征在于，所述光 濾波器采用光交錯復用器。
5. 一種基于雙邊帶調制的太赫茲波產生方法，其特征在于，包括如下步驟1)微波信號源輸出低頻微波信號，經電信號倍頻器進行倍頻和放大處理后，輸出高頻 的微波信號，同時，單模激光器產生一個連續(xù)的光信號；2)上述電信號倍頻器輸出的高頻的微波信號驅動強度調制器對所述光信號進行調制， 將高頻的微波信號調制到光信號的邊帶上，產生包括中心載波和兩個一階邊帶的雙邊帶信 號；3)輸出的雙邊帶信號經光濾波器濾除調制光信號的中心載波，得到兩個一階邊帶信 號，所述兩個一階邊帶的頻率差兩倍于驅動強度調制器的微波信號頻率；4)所述兩個一階邊帶信號經光纖放大器進行功率放大后，輸出兩個一階邊帶的放大光 信號；5)所述兩個一階邊帶的放大光信號再經光電探測器產生電太赫茲信號，最后經天線發(fā) 出太赫茲波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙邊帶調制的太赫茲波產生裝置和方法，包括微波信號源、單模激光器、電信號倍頻器、強度調制器、光濾波器、光纖放大器、光電探測器和天線，所述微波信號源輸出的低頻微波信號輸入電信號倍頻器的輸入端，電信號倍頻器的輸出端輸出高頻微波信號，其與單模激光器的輸出光信號一并作為強度調制器的輸入信號，強度調制器輸出端輸出的光信號依次經光濾波器和光纖放大器后，輸出兩個一階邊帶的放大光信號；所述兩個一階邊帶的放大光信號再經光電探測器輸入天線的信號接收端。本發(fā)明結構簡單緊湊，成本較低，采用外部調制方法產生的太赫茲波性能穩(wěn)定。
文檔編號H01S1/02GK101800391SQ201010104379
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權日2010年2月1日
發(fā)明者文雙春, 李瑛 , 范滇元, 鄭之偉 申請人:湖南大學