本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲超寬帶通信波形的光外差調(diào)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為解決現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)頻譜資源和容量有限的問題，近年來，太赫茲通信受到了廣泛的重視。太赫茲頻段通常指0.1～10THz，通信帶寬遠大于微波毫米波，基于光電方式的太赫茲通信系統(tǒng)可攜帶高達幾十到幾百吉比特(Gbps)的數(shù)據(jù)信息。

太赫茲通信的方法主要有連續(xù)太赫茲載波調(diào)制和太赫茲脈沖調(diào)制。連續(xù)太赫茲波載波一般采用光外差混頻(photo-mixing)兩路連續(xù)激光的方式產(chǎn)生，通過調(diào)制其中一路連續(xù)激光實現(xiàn)太赫茲通信信號的調(diào)制。而常見的太赫茲脈沖的光電產(chǎn)生方式為超短光脈沖照射非線性晶體和飛秒脈沖激勵光電導(dǎo)天線等。非線性效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)都需要很高的光學(xué)峰值功率，且大大超過光電調(diào)制器的損壞光功率，所以飛秒脈沖的重復(fù)頻率通常都很低(50-100MHz)，而且不利于太赫茲信號的光學(xué)調(diào)制。

常見的太赫茲脈沖發(fā)射接收系統(tǒng)由飛秒脈沖源(femtosecond laser)、斬波器(optical chopper)、波束分割器(BS)、THz發(fā)射器(THz emitter)、接收器(THz detector)等組成。通過瞬時光電導(dǎo)開關(guān)(photoconductive switching)的原理，當光電流隨時間變化時，其產(chǎn)生的光電流大小對應(yīng)入射激光束強度的時間微分，從而將飛秒激光脈沖轉(zhuǎn)換成寬帶太赫茲脈沖。

公布號為CN 104155825 A的專利公開了一種大能量太赫茲脈沖產(chǎn)生方法和裝置，具體是將一束高能量的飛秒脈沖均勻的分成兩束或多束，將它們分別入射到參數(shù)完全相同的ZeTn晶體中，通過飛秒脈沖光整流過程在晶體中分別產(chǎn)生太赫茲脈沖，通過調(diào)節(jié)時間延遲使產(chǎn)生的太赫茲脈沖同時到達探測器，可以得到相干合成的太赫茲脈沖。該方法的重復(fù)頻率比較低，而且不利于太赫茲信號的光學(xué)調(diào)制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種太赫茲超寬帶通信波形的光外差調(diào)控系統(tǒng)，采用連續(xù)光和脈沖光的外差混頻方式實現(xiàn)太赫茲脈沖的產(chǎn)生，并能實現(xiàn)太赫茲高速脈沖通信信號的調(diào)制。

一種太赫茲超寬帶通信波形的光外差調(diào)控系統(tǒng)，包括高重復(fù)頻率脈沖激光源、可編程脈沖整形器、連續(xù)激光器、雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器(DPMZM)、光纖延遲線、耦合器、太赫茲發(fā)射器(UTC-PD)；所述的可編程脈沖整形器對高重復(fù)頻率光脈沖源進行波形整形，并將整形的脈沖信號輸送到耦合器；所述的雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器對連續(xù)激光器進行調(diào)制，并將調(diào)制的光信號經(jīng)光纖延遲線輸送到耦合器，所述的耦合器將整形的脈沖信號與調(diào)制的光信號耦合后照射到太赫茲發(fā)射器，產(chǎn)生太赫茲脈沖。

所述的高重復(fù)頻率脈沖激光源用于發(fā)射1550nm光通信波段高重復(fù)頻率(≥10GHz)的脈沖源。

所述的高重復(fù)頻率脈沖激光源為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。

所述的可編程脈沖整形器對高重復(fù)頻率為f₀的光脈沖源進行波形整形。脈沖源在頻域上呈現(xiàn)為頻率間隔為f₀的梳狀譜，通過頻譜的精細整形，可以對脈沖的形狀進行設(shè)計。

所述的可編程脈沖整形器對高重復(fù)頻率的梳狀譜逐線(line-by-line)作幅度和相位處理。通過對頻域的光脈沖源頻譜逐線處理，在光域上靈活調(diào)控設(shè)計脈沖時域波形，例如高斯形、拋物線形、洛倫茲形等。根據(jù)時域波形和頻域頻譜的傅立葉變換對應(yīng)關(guān)系，例如，當可編程脈沖整形器的整形后輸出梳狀譜呈現(xiàn)高斯包絡(luò)時，脈沖在時域上為重復(fù)頻率f₀的高斯脈沖。

高重復(fù)頻率為f₀對應(yīng)的時域脈沖時間間隔為T。

所述的連續(xù)激光器產(chǎn)生連續(xù)的穩(wěn)態(tài)光信號。

所述的雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器由兩個子馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)和一個主馬赫曾德爾調(diào)制器構(gòu)成，其中兩個子馬赫曾德爾調(diào)制器內(nèi)嵌在主馬赫曾德爾調(diào)制器的兩個調(diào)制臂上。雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器通過在兩個子馬赫曾德爾調(diào)制器上調(diào)制數(shù)字基帶信號，并通過主馬赫曾德爾調(diào)制器實現(xiàn)對輸入連續(xù)激光的正交相位控制，從而可以實現(xiàn)如正交相移鍵控(QPSK)等復(fù)雜調(diào)制方式。

所述的光纖延遲線采用基于光纖的1550nm光通信用可調(diào)延遲控制線。

所述的光纖延遲線用于調(diào)節(jié)數(shù)字信號到達耦合器的時間，實現(xiàn)數(shù)字信號和光脈沖的同步，一比特數(shù)字信號對應(yīng)N個脈沖。

所述的耦合器將連接在耦合器輸入端的兩路1550nm波段光信號耦合在一路并輸出。

所述的太赫茲發(fā)射器采用天線集成的單行載流子光電探測器，太赫茲發(fā)射器相對于傳統(tǒng)的光電探測器，只有高速移動的電子是激發(fā)態(tài)的載流子，因而具有超快的皮秒量級光子響應(yīng)速度和超大的帶寬。

在時域上，每個數(shù)字比特將同時調(diào)制N個脈沖，產(chǎn)生太赫茲脈沖的中心頻率由整形的脈沖信號與調(diào)制的連續(xù)光信號的中心波長差決定。例如，整形后的脈沖光中心波長和連續(xù)激光的中心波長相差2.4nm時，產(chǎn)生的太赫茲脈沖中心頻率在300GHz。

一般情況下，太赫茲發(fā)射天線為偶極子(Dipole)或領(lǐng)結(jié)(Bow-Tie)兩種電極結(jié)構(gòu)的小孔徑天線，在時域上太赫茲輻射電磁波為探測器中瞬態(tài)光電流的一階微分。因此，太赫茲輻射脈沖的形狀設(shè)計由光脈沖濾波整形靈活處理。

太赫茲脈沖的調(diào)制格式(如OOK、BPSK、QPSK等)由調(diào)制連續(xù)光這種簡單的方式實現(xiàn)。

太赫茲超寬帶通信波形的光外差調(diào)控系統(tǒng)的工作工程如下：

可編程脈沖整形器對高重復(fù)頻率光脈沖源進行波形整形，馬赫曾德爾調(diào)制器對連續(xù)激光器進行相對低速(f₀/N)的調(diào)制，整形的脈沖源與調(diào)制的連續(xù)光信號通過耦合器耦合在一起后照射太赫茲發(fā)射器，產(chǎn)生太赫茲脈沖，在光外差混頻機制下，一個光脈沖將對應(yīng)產(chǎn)生一個太赫茲脈沖。

本發(fā)明采用連續(xù)光和脈沖光的外差混頻方式光電產(chǎn)生太赫茲調(diào)制脈沖序列。太赫茲脈沖的調(diào)控都在光域進行，太赫茲通信脈沖的調(diào)制通過調(diào)制連續(xù)光實現(xiàn)，太赫茲脈沖形狀由可編程脈沖整形器在光域上整形光脈沖進行設(shè)計。該方案可實現(xiàn)太赫茲高速脈沖通信信號的調(diào)制。

本發(fā)明與其他太赫茲脈沖發(fā)射接收系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)勢為：

(1)太赫茲脈沖的中心頻率由外差兩個激光器中心波長差決定，簡單易控。

(2)太赫茲時域脈沖波形通過可編程脈沖整形器在光域靈活設(shè)計。

(3)脈沖編碼通過調(diào)制連續(xù)光實現(xiàn)，可實現(xiàn)太赫茲脈沖的高速通信。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是QPSK調(diào)制的太赫茲波形。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

如圖1所示，太赫茲超寬帶通信波形的光外差調(diào)控系統(tǒng)，包括高重復(fù)頻率脈沖激光源、可編程脈沖整形器、連續(xù)激光器、雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器、光纖延遲線、耦合器、太赫茲發(fā)射器。

脈沖激光源采用1550nm光通信波段的高重復(fù)頻率脈沖源，例如10GHz重復(fù)頻率，還可以通過光時分復(fù)用的方式獲得更高的重復(fù)頻率，例如40GHz甚至更高。

可編程脈沖整形器采用基于固態(tài)硅基液晶技術(shù)的10GHz分辨率1550nm波段可編程光處理器，對高重復(fù)頻率的頻譜逐線(line-by-line)作幅度和相位處理。根據(jù)時域波形和頻域頻譜的傅立葉變換對應(yīng)關(guān)系，通過頻域的頻譜精細處理，設(shè)計光學(xué)處理器的輸出頻域包絡(luò)形狀，例如高斯形、拋物線形、洛倫茲形等，從而在光域上調(diào)控脈沖波形。太赫茲時域輻射電磁波為相應(yīng)波形的一階微分，因此，太赫茲脈沖形狀由在光域設(shè)計的光脈沖形狀決定，例如高斯型光脈沖的一階微分為高斯型單周期脈沖(Gaussian monocycle)。

連續(xù)激光器采用常用的光通信用1550nm波段波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器或光纖激光器。

光纖延遲線采用基于光纖的1550nm光通信用可調(diào)延遲控制線。

雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器采用1550nm波段的低射頻帶寬(小于10GHz)的商用DPMZM調(diào)制器，對連續(xù)激光器進行f₀/N的二進制數(shù)字信號調(diào)制，N為整數(shù)。調(diào)制后的連續(xù)激光通過光纖延遲線控制延時，以同步數(shù)字比特和光脈沖(一比特對應(yīng)N個脈沖)。在3dB光纖耦合器之后，同步的調(diào)制連續(xù)激光和整形后的脈沖光合為一路并送入天線集成的太赫茲發(fā)射器。目前日本NTT商用化UTC-PD的響應(yīng)帶寬可達1.5THz，300GHz頻率的發(fā)射功率高達0dBm，另外英國UCL和法國IEMN研制的UTC-PD也具有相當好的帶寬和響應(yīng)度等性能。

在太赫茲發(fā)射器的外差混頻機制下，兩路光的中心波長差將決定太赫茲中心頻率，例如，整形后的脈沖光中心波長和連續(xù)激光的中心波長相差2.4nm時，產(chǎn)生的太赫茲脈沖中心頻率在300GHz。同時，在一個比特數(shù)字信號和N個光脈沖同步的情況下，N個脈沖將被同一比特調(diào)制，從而具有相同的太赫茲脈沖波形、幅度和相位。

圖2示例了QPSK調(diào)制的太赫茲波形，天線輻射的00和11波形為互為反向的高斯二階微分(doublet)脈沖，01和10則為互為反向的高斯型單周期脈沖(monocycle)。因此，通過低速調(diào)制連續(xù)光，避免使用大帶寬調(diào)制器，實現(xiàn)高速太赫茲通信脈沖的編碼。

以上所述的具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進行了詳細說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。