基于波導結構的內調制太赫茲源及其內調制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太赫茲輻射源領域，更具體的說，是涉及一種基于波導結構的內調制太赫茲源及其內調制方法。
【背景技術】
[0002]太赫茲波段是指頻率為0.l-lOTHz，介于微波和紅外波之間的電磁波譜范圍，具有攜帶信息容量大(相對于微波)、高時空相干性、低光子能量等特性，因此太赫茲波在無線通信、成像、雷達以及國防安全等領域呈現出非常廣闊的應用前景。高性能太赫茲輻射源及其有效調制是實現太赫茲技術眾多應用的基礎，比如在通信、雷達等信號處理和材料控制上需要進行太赫茲波的調制等。目前，隨著太赫茲科學技術的進步，以太赫茲輻射源和太赫茲功能器件(如調制器件)為代表的太赫茲關鍵技術及其應用得到了長足的發展，同時也遇到了發展的瓶頸，如太赫茲波的調制手段相對復雜、單一，太赫茲輻射源與功能器件不能實現有效集成，這些瓶頸極大的限制了太赫茲技術在無線通信、太赫茲成像以及雷達領域的應用。
[0003]基于電子學方法的返波管和固態電子學等輻射源，利用電調制的方式實現了225GHz的太赫茲雷達和300GHz的太赫茲通訊，由于受到電子學方法的限制，其工作頻率一般在ITHz以下，受到帶寬的限制不能實現大容量的信息傳輸。基于半導體量子阱技術的量子級聯激光器能夠實現小型化的連續太赫茲輸出，利用栗浦電流的調制實現了4.1THz和2.9THz的數字通訊，該種輻射源可以和調制器有效地集成在一起，真正的實現了集成化小型化的太赫茲應用，但由于量子級聯激光器需要工作在低溫下，這又增加了系統的復雜性。基于非線性光學方法的太赫茲源，就低成本、結構簡單、室溫運轉等優點，在太赫茲應用甚廣，由于轉換效率低以及太赫茲波段非線性材料的缺乏，光學太赫茲輻射源的輸出功率低，太赫茲調制方法大多局限在太赫茲輻射源的外腔調制方式，如基于液晶和V02的微結構相變材料，利用電、磁和光影響材料的特性來實現太赫茲波調制，這些調制方式一方面系統復雜，另一方面調制效率低，同時給光學太赫茲波應用系統的小型化和集成化帶來困難。對于室溫運轉光學太赫茲輻射源在太赫茲通訊、成像和雷達應用具有很大的優勢，當前需要解決的問題是如何獲得高性能光學太赫茲產生以及實現集成化的有效調制。

【發明內容】

[0004]針對當前太赫茲波在無線通信、成像、雷達以及國防安全等領域對可調制連續太赫茲福射源的應用需求，本發明專利的目的在于提供一種基于波導結構Cherenkov相位匹配的內調制太赫茲輻射源及其內調制方法，采用該方法可以控制波導結構中有機電光材料包層的折射率實現太赫茲耦合輸出的調制，獲得波導結構內調制太赫茲波輸出，實現高效率、結構簡單緊湊的集成化光學可調制太赫茲輻射，并且能夠在室溫下穩定運轉，本發明突破尚效光波導太赫茲波的尚效頻率轉換以及太赫茲波導親合調制的關鍵技術，最終實現尚效率、結構簡單緊湊的集成化光學可調制太赫茲輻射，促進太赫茲在無線通信、成像以及雷達等領域的應用。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]基于波導結構的內調制太赫茲源，包括依次設置的栗浦源、激光合束器、耦合器和波導結構，所述栗浦源由輸出波長分別為1.9um和1.9-2um的兩個獨立的光纖激光器構成，所述波導結構由從上到下依次設置的有機電光材料包層、鈮酸鋰芯層和石英襯底層通過光膠緊密貼合構成，所述有機電光材料包層內設置有控制電路，有機電光材料包層的外側設置有楔形結構;所述光纖激光器輸出的激光通過激光合束器合束后形成有雙波長激光，雙波長激光通過耦合器耦合后進入波導結構的鈮酸鋰芯層，雙波長激光在波導結構中差頻產生太赫茲波并從楔形結構輸出。
[0007]所述光纖激光器采用摻銩鍺酸鹽作為增益介質，并利用Bragg光柵選模實現波長調諧，再通過功率放大后實現50-100W的輸出功率。
[0008]所述親合器由光纖輸出聚焦鏡構成，所述光纖輸出聚焦鏡對1.8-2.3um波長栗浦光的透過率>95 %，工作距離為30mm，數值孔徑為0.22。
[0009]所述楔形結構與鈮酸鋰芯層的夾角為35°-45°。
[0010]根據權利要求1所述的基于波導結構的內調制太赫茲源的內調制方法，該方法包括以下步驟:
[0011](1)通過控制電路控制電壓將有機電光材料的折射率控制在< 2.2，以減少太赫茲泄露系數；
[0012](2)在泄漏系數接近于0的情況下實現鈮酸鋰芯層內的高效能量轉換，以供積累太赫茲能量；
[0013](3)通過控制電路對有機電光材料給出一個快速的加壓或降壓信號，利用電壓變化使有機電光材料的折射率變化，增大泄露系數至1700cm—I將鈮酸鋰芯層內積累的太赫茲能量全部親合輸出，實現了對太赫茲能量的調制。
[0014]與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是:
[0015]1.栗浦源使用高功率的單頻光纖激光器，充分利用其高光束質量和窄線寬的優點，可以實現栗浦光向波導結構中鈮酸鋰芯層的高效耦合，獲得很高的有效栗浦強度，提高差頻轉換效率，并保證太赫茲源的窄線寬。
[0016]2.波導結構由從上到下依次設置的有機電光材料包層、鈮酸鋰芯層和石英襯底層通過光膠緊密貼合構成，根據鈮酸鋰芯層和有機電光材料包層材料的色散特性，經耦合器傳來的雙波長激光可以在平板波導中差頻產生太赫茲波，隨后太赫茲波以輻射模形式傳輸，不僅可以自動滿足與栗浦光縱向傳輸常數的匹配(也就是Cherenkov型相位匹配)，同時經過有機電光材料包層實現側向親合輸出，實現了Cherenkov相位匹配、波導結構和級聯效應相結合的效果，充分發揮波導結構自動滿足相位匹配、有效距離長和耦合效率高等優點，保證級聯的高效性，打破差頻效率的量子極限，實現量子效率、耦合效率和輸出功率的全面提尚Ο
[0017]3.波導結構中使用有機電光材料作為包層，利用其吸收損耗和高電光系數的優點，并可以根據需要進行合成。
[0018]4.可通過對有機電光材料包層材料的折射率調制來改變泄露系數，既能同時獲得較高的芯層內能量轉換效率和太赫茲耦合輸出效率，從而提高輸出功率，又能實現太赫茲的調制。
[0019]5.該輻射源的整體更加緊湊，易于實現小型化、全固化，并能夠在室溫下穩定運轉，最終實現可以進行內調制的太赫茲波輸出，可廣泛應用于無線通信、成像以及雷達等領域。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明太赫茲輻射源的整體結構示意圖。
[0021]圖2是本發明的波導結構差頻產生太赫茲輻射的示意圖。
[0022]附圖標記:1-栗浦源2-栗浦源3-激光合束器4-耦合器5-波導結構50-有機電光材料包層51-鈮酸鋰芯層52-石英襯底層53-控制電路
【具體實施方式】
[0023]下面