專利名稱：利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種新型的高頻率光脈沖序列測量，特別是一種利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的方法和裝置，詳細(xì)地說，是利用寬頻譜的啁啾脈沖激光作為探針，采用偏振方向旋轉(zhuǎn)檢測的方法能夠?qū)Ω哌_(dá)太赫茲(Terahertz，以下簡稱THz)頻率的光脈沖序列實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)及通信服務(wù)的不斷發(fā)展，可視電話，高清電視等即時(shí)通信流量越來越大，動(dòng)輒需要上GB的數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)傳輸速度的要求與日俱增。[1 J.McKinney，A.Weiner，D.Seo Ultrafast Electronics and Optoelectronics TOPS Volume 82 WB3-1]高速光信號(hào)采樣的重要性及要求不斷提高。而目前城市節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)帶寬約有數(shù)百GB，很快就將落后于實(shí)際需求。解決兩地之間信號(hào)傳輸速度的方法主要有增加光纖對(duì)數(shù)，波分復(fù)用等，但是對(duì)于單信道可容納的信息密度仍沒有充分利用，其中一個(gè)原因就是光信號(hào)檢測方法發(fā)展緩慢，檢測速度沒有顯著提高。目前比較成熟的光電轉(zhuǎn)換速度每單信道大約10Gbit/s[2 趙梓森，2005光纖通信新進(jìn)展，光通信研究，2005.5]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于每信道可以傳輸?shù)男畔⑷萘俊?br>
發(fā)明內(nèi)容
為了能夠?qū)Ω咚俟饷}沖序列進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，本發(fā)明提供一種利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的方法和裝置，以解決對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)測量。
本發(fā)明的基本思想是將波分復(fù)用技術(shù)拓展到檢測階段的高速光脈沖的檢測。由于超短脈沖激光本身有很寬的頻譜，通過啁啾技術(shù)可以將不同的頻率成分在時(shí)域進(jìn)行調(diào)制，獲得一很好的線性啁啾脈沖，使激光的時(shí)域信息能夠在頻域得到體現(xiàn)。利用超短脈沖光具有寬頻譜這一特點(diǎn)，采用頻譜干涉或是調(diào)制的方法，對(duì)THz脈沖進(jìn)行高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)測量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的裝置，包括超短脈沖光，在該超短脈沖光的前進(jìn)方向有第一分束片和光柵對(duì)，所述的超短脈沖光經(jīng)光柵對(duì)展寬為一線性啁啾脈沖光，在該啁啾脈沖光經(jīng)第一分束片的反射光方向依次為起偏器和第二分束片，一待測的高速光脈沖序列從第二分束片另一方向透射，在該待測的高速光脈沖序列的前進(jìn)方向依次為第二分束片、非線性晶體、第三分束片、檢偏器和第一CCD光譜儀，在第三分束片的反射方向經(jīng)一反射鏡進(jìn)入第二CCD光譜儀。
利用權(quán)所述的裝置進(jìn)行太赫茲脈沖序列測量的方法，特征是包括下列過程①一束超短脈沖激光經(jīng)過光柵對(duì)后展寬為一線性啁啾脈沖光，作為啁啾探測光；②將啁啾探測光經(jīng)第二分束片入射非線性晶體之中，調(diào)整所述的啁啾探測光本身的強(qiáng)度，使非線性晶體的折射率剛好可以使啁啾探測光的偏振方向與檢偏器的偏振方向一致；③當(dāng)一高速光脈沖序列同時(shí)與所述的啁啾探測光經(jīng)第二分束片進(jìn)入非線性晶體時(shí)，再調(diào)整光脈沖強(qiáng)度，使出射光的偏振角度旋轉(zhuǎn)90°而與檢偏器的偏振方向垂直；④利用第三分束片將出射光分為強(qiáng)度相等的兩束光，其中一束通過檢偏器，濾去高速光脈沖序列導(dǎo)致的偏振分量，進(jìn)入第一CCD光譜儀進(jìn)行測量，得到與檢偏器的偏振方向平行的振動(dòng)強(qiáng)度；另外一束光經(jīng)反射鏡直接進(jìn)入第二CCD光譜儀進(jìn)行測量，得到與偏振無關(guān)的光譜分布，亦即時(shí)間強(qiáng)度分布；⑤將第一CCD光譜儀和第二CCD光譜儀得到的結(jié)果進(jìn)行比較，即可得到待測的高速光脈沖序列導(dǎo)致的偏振變化，由于測量量N(ω)與輸入量ETHz(t)成正比，可從N(ω)反演出ETHz(t)，從而得到ETHz(t)所攜帶的信息，即反演出高速光脈沖序列的信息。
本發(fā)明的原理可以通過下面的描述來理解。
圖2所示是被探測的高速光脈沖信號(hào)光傳播的示意圖。
探測激光波形可以認(rèn)為是在時(shí)間和空間上都是高斯分布，如圖3所示，在時(shí)域探測光被展寬為一線性啁啾脈沖(例如從一50飛秒(femtosecond，以下簡稱fs)的超短脈沖展寬到300ps)。光場振幅可以寫為Ep(t)=exp(-t2Tp2-jαt2-jω0t)]]>其中2α為探測光的啁啾系數(shù)，ω0為探測光的中心頻率，Tp與探測光的脈寬有關(guān)。
假設(shè)入射的待測的高速光脈沖信號(hào)——THz脈沖序列為ETHz(t)=Σnexp(-(t-22nΔT)2ΔT2)]]>這里的特征時(shí)間ΔT為脈沖全高半寬，2ΔT為脈沖序列中相鄰兩個(gè)脈沖之間的間隔時(shí)間，該脈沖序列是由一系列在時(shí)間上有延遲的脈沖組成的。經(jīng)過非線性晶體7之后光場在垂直方向振幅可以寫為Etrans(t)＝Ep(t)[1-kETHz(t-τ)]其中τ為待測的脈沖序列與探測光之間的時(shí)間延遲。THz脈沖序列信號(hào)中單個(gè)脈沖的時(shí)間寬度遠(yuǎn)小于探測脈沖的寬度，如幾個(gè)皮秒。k為非線性調(diào)制系數(shù)，它的大小與THz脈沖序列信號(hào)對(duì)探測光的調(diào)制深度有關(guān)，取決于許多因素，例如電光系數(shù)、光偏壓、散射、晶體厚度以及群速匹配等。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)，可以得到一個(gè)合適的調(diào)制系數(shù)，但是其具體值不影響最后所得到的結(jié)果。
光譜儀測量得到的光譜強(qiáng)度信號(hào)為經(jīng)過光譜儀響應(yīng)函數(shù)調(diào)制之后的光譜強(qiáng)度M(ω)∝∫-∞+∞g(ω-ω1)×|∫-∞+∞Etrans(t)exp(jω1t)dt|2dω1]]>=∫-∞+∞g(ω-ω1)×|∫-∞+∞exp(-t2Tp2-jαt2-jω0t)[1-kETHz(t-τ)]exp(jω1t)dt|2dω1---(1)]]>由于探測光與信號(hào)光的脈沖寬度遠(yuǎn)大于光波的振蕩周期，所以相位因子j(αt2-ω0t)可以認(rèn)為是快變化而在積分過程中振蕩消除。僅頂點(diǎn)處對(duì)積分有貢獻(xiàn)，亦即tω=ω-ω02α]]>時(shí)，積分不為零。得到
M(ω)∝∫-∞+∞g(ω-ω1)×exp(-2tω2Tp2)[1-kETHz(tω-τ)]2dω1]]>其中g(shù)(ω-ω1)為光譜儀響應(yīng)函數(shù)。則有和無THz光脈沖序列所得的光譜強(qiáng)度之差歸一化為N(ω)=M(ω)|THz_OFF-M(ω)|THz_ONM(ω)|THz_OFF---(2)]]>選擇光譜分辨率遠(yuǎn)小于2αΔT(一般為大于0.1nm量級(jí))的光譜儀，則g(ω-ω1)可以認(rèn)為是一δ函數(shù)(現(xiàn)在光譜儀分辨率一般均小于0.05nm，完全可以滿足要求)。同時(shí)，如果選取的啁啾脈沖的啁啾系數(shù)2α足夠大，且k＜＜1時(shí)，通過計(jì)算，上式可以近似簡化為N(ω)∝2kETHz(tω-τ)此時(shí)測量量N(ωω)與輸入量ETHz(t)成正比。如此可從N(ω)反演出ETHz(t)，從而得到ETHz(t)所攜帶的信息。
下面分析該方法可達(dá)到的信號(hào)分辨速度。
于是光譜儀測得的強(qiáng)度之差隨頻率的變化可以簡化為N(ω)∝Σnexp(-(ω-ω0-2α(τ-22nΔT))22α2ΔT2)]]>從而反演出強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，為N(t)∝Σnexp(-(t-τ-22nΔT)22α2ΔT2)]]>由此可以看出N(t)的形式與ETHz(t)類似，但是間隔時(shí)間由ΔT變?yōu)?當(dāng)啁啾脈沖激光的啁啾系數(shù)α增加的時(shí)候，波形失真也會(huì)減少，這也意味著脈沖檢測分辨率的提高。若以最后反演所得信號(hào)被展寬到原信號(hào)寬度的倍時(shí)，原信號(hào)寬度為系統(tǒng)分辨率時(shí)，則有2α2ΔT4=2,]]>得到ΔTmin=1α,]]>即該方法對(duì)信號(hào)的時(shí)間分辨率為 對(duì)于由50fs無啁啾激光脈沖展寬得到300ps啁啾激光脈沖，其最小分辨率約為3.87ps。如果由10fs無啁啾激光脈沖展寬得到100ps啁啾激光脈沖，則最小分辨率可達(dá)到1ps。
本發(fā)明的特點(diǎn)是1、采用本發(fā)明的方法對(duì)高速信息序列檢測，可以大大提高高速光信號(hào)的度。由于是單次識(shí)別，所以可以進(jìn)行高速連續(xù)采樣，采樣頻率高達(dá)THz。
2、本方法使用的是光譜測量法，在光譜儀端可以進(jìn)行多通道同步測量，可以利用已有的低速采樣設(shè)備，有效利用已有資源技術(shù)。
3、本方法第一次把波分復(fù)用方式從傳輸過程拓展到檢測過程。
4、啁啾測量法對(duì)信號(hào)光的波長不敏感，可以結(jié)合已有的波分復(fù)用技術(shù)，拓寬光波導(dǎo)頻段。進(jìn)一步提高信號(hào)的傳輸與檢測。


圖1為本發(fā)明啁啾脈沖THz脈沖序列測量設(shè)置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.為初始高速脈沖序列的波形3為初始啁啾探測脈沖的波形4.為調(diào)制后的啁啾探測脈沖的波形5為反演得到高速脈沖序列的波形圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明啁啾脈沖THz脈沖序列測量設(shè)置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的裝置，包括超短脈沖光1，在該超短脈沖光1的前進(jìn)方向有第一分束片2和光柵對(duì)3，所述的超短脈沖光1經(jīng)光柵對(duì)3展寬為一線性啁啾脈沖光，在該啁啾脈沖光經(jīng)第一分束片2的反射光方向依次為起偏器4和第二分束片6，一待測的高速光脈沖序列5從第二分束片6另一方向透射，在該待測的高速光脈沖序列5的前進(jìn)方向依次為第二分束片6、非線性晶體7、第三分束片8、檢偏器10和第一CCD光譜儀11，在第三分束片8的反射方向經(jīng)一反射鏡9進(jìn)入第二CCD光譜儀12。
利用所述的裝置進(jìn)行太赫茲脈沖序列測量的方法，包括下列過程①一束超短脈沖激光1經(jīng)過光柵對(duì)3后展寬為一線性啁啾激光束，作為啁啾探測光；②將啁啾探測光經(jīng)第二分束片6入射非線性晶體7之中，調(diào)整所述的啁啾探測光本身的強(qiáng)度，使非線性晶體7的折射率剛好可以使該啁啾探測光偏振方向與檢偏器10的偏振方向一致；③當(dāng)一高速光脈沖序列5與所述的啁啾探測光同時(shí)經(jīng)第二分束片6進(jìn)入非線性晶體7時(shí)，再調(diào)整光脈沖強(qiáng)度，使出射光的偏振角度旋轉(zhuǎn)90°而與檢偏器10偏振方向垂直；④利用第三分束片8將出射光分為強(qiáng)度相等的兩束光，其中一束通過檢偏器10，濾去高速光脈沖序列5導(dǎo)致的偏振分量，進(jìn)入第一CCD光譜儀11進(jìn)行測量，得到與檢偏器10的偏振方向平行的振動(dòng)強(qiáng)度；另外一束光經(jīng)反射鏡9直接進(jìn)入第二CCD光譜儀12進(jìn)行測量，得到與偏振無關(guān)的光譜分布，亦即時(shí)間強(qiáng)度分布；⑤將第一CCD光譜儀11和第二CCD光譜儀12分別得到的測量結(jié)果進(jìn)行比較，即可得到待測的高速光脈沖序列5的信息ETHz(t)的加入而導(dǎo)致的偏振變化，由于測量量N(ω)與輸入量ETHz(t)成正比，可從N(ω)反演出ETHz(t)，從而得到ETHz(t)所攜帶的信息，即反演出高速光脈沖序列5的信息。
一束線偏振超短脈沖激光1經(jīng)過光柵對(duì)3后展寬為脈寬為數(shù)百皮秒(Picosecond，以下簡稱ps)的線性啁啾激光束，作為啁啾探測光。
將啁啾探測光與高速光脈沖序列同時(shí)入射非線性晶體7之中，由于晶體的非線性效應(yīng)(例如光克爾效應(yīng))導(dǎo)致非線性晶體7的折射率與光強(qiáng)有關(guān)，所以入射光強(qiáng)度不同時(shí)，晶體折射率也不同，進(jìn)而探測光偏振方向的偏轉(zhuǎn)角也不同。
當(dāng)無待測的高速光脈沖序列入射時(shí)，調(diào)整探測光本身強(qiáng)度，使折射率剛好可以使探測光偏振方向與檢偏器10的偏振方向一致。而當(dāng)有高速光脈沖序列同時(shí)入射的時(shí)候，調(diào)整光脈沖強(qiáng)度使得出射光偏振角度旋轉(zhuǎn)90°而與檢偏器10的偏振方向垂直。這樣出射光就在不同時(shí)刻包含兩個(gè)方向上的偏振。為達(dá)到這一目的可以有許多種調(diào)試方法，其中之一選擇介紹如下將線偏振片放置在出射光路上，檢測其出射的透射光，改變探測光或者光脈沖的強(qiáng)度，分別使得其透射光相對(duì)于晶體出射光比例為最小即可。
利用第三分束片8將出射光分為強(qiáng)度相等的兩束光，其中一束通過檢偏器10，濾去光脈沖序列導(dǎo)致的偏振分量，進(jìn)入第一CCD光譜儀11進(jìn)行測量，得到其與起偏器10的偏振方向上的振動(dòng)強(qiáng)度；另外一束直接進(jìn)入第二CCD光譜儀12進(jìn)行測量，得到與偏振無關(guān)的光譜分布，亦即時(shí)間強(qiáng)度分布。將第一CCD光譜儀11、第二CCD光譜儀12分別得到的結(jié)果進(jìn)行比較，即可得到光脈沖序列信號(hào)導(dǎo)致的偏振變化，反演出被測的光脈沖序列5。
本發(fā)明用于高時(shí)間分辨(ps量級(jí))測量高速光脈沖狀態(tài)。下面舉一實(shí)施例來說明一束高速光脈沖序列(圖2)入射至非線性晶體7——光克爾盒內(nèi)，其振動(dòng)方程為ETHz(t)=Σn=1,3,4exp(-(t-22n×4)242)]]>其攜帶的信息為(1，0，1，1)，脈沖寬度為8ps，相鄰兩脈沖序列間隔為8ps。另外一束由中心波長為800nm，脈寬50fs展寬為300ps的線性啁啾激光(圖3)同時(shí)射入，其與脈沖序列的延遲為-20ps。其方程為Ep(t)=exp(-t23002-j115t2-j375t)]]>光克爾盒的調(diào)制系數(shù)k＝0.03，則耦合后的啁啾光脈沖(圖4)方程為Ep(t)=exp(-t21002-j115t2-j375t)(1+0.03Σn=1,3,4exp(-(t-20-22n)242))]]>則有THz光脈沖序列和無THz光脈沖序列所得的光譜強(qiáng)度之差為；N(ω)=0.0009Σn=1,3,4exp(-(ω-375-40-42n15)232225)]]>反演得到N(t)=0.0009Σn=1,3,4exp(-(t-20-22n)22258)]]>從波形(圖5)上可看出是三個(gè)可分辨的脈沖，即可得到原脈沖序列5所攜帶信息(1，0，1，1)。這就是本發(fā)明測量方法的實(shí)質(zhì)。
利用本發(fā)明可以檢測太赫茲脈沖序列的信號(hào)，結(jié)合波分復(fù)用傳輸，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十Tb/s的信號(hào)傳輸，本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改造后可以加以利用，更可以節(jié)約資金，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的裝置，包括超短脈沖光(1)，其特征是在該超短脈沖光(1)的前進(jìn)方向有第一分束片(2)和光柵對(duì)(3)，所述的超短脈沖光(1)經(jīng)光柵對(duì)(3)展寬為一線性啁啾脈沖光，在該啁啾脈沖光經(jīng)第一分束片(2)的反射光方向依次為起偏器(4)和第二分束片(6)，一待測的高速光脈沖序列(5)從第二分束片(6)另一方向透射，在該待測的高速光脈沖序列(5)的前進(jìn)方向依次為第二分束片(6)、非線性晶體(7)、第三分束片(8)、檢偏器(10)和第一CCD光譜儀(11)，第三分束片(8)的反射光經(jīng)一反射鏡(9)進(jìn)入第二CCD光譜儀(12)。
2.利用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行太赫茲脈沖序列測量的方法，特征是包括下列過程①一束超短脈沖光(1)經(jīng)過光柵對(duì)(3)后展寬為一線性啁啾脈沖光，作為啁啾探測光；②將該啁啾探測光經(jīng)第二分束片(6)入射非線性晶體(7)之中，調(diào)整所述的啁啾探測光本身的強(qiáng)度，使非線性晶體(7)的折射率剛好可以使啁啾探測光偏振方向與檢偏器(10)的偏振方向一致；③當(dāng)一高速光脈沖序列(5)同時(shí)與所述的啁啾探測光經(jīng)第二分束片(6)進(jìn)入所述的非線性晶體(7)時(shí)，再調(diào)整光脈沖強(qiáng)度，使出射光的偏振角度旋轉(zhuǎn)90°而與檢偏器(10)偏振方向垂直；④利用第三分束片(8)將出射光分為強(qiáng)度相等的兩束光，其中一束通過檢偏器(10)，濾去高速光脈沖序列(5)導(dǎo)致的偏振分量，進(jìn)入第一CCD光譜儀(11)進(jìn)行測量，得到與檢偏器(10)的偏振方向平行的振動(dòng)強(qiáng)度；另外一束光經(jīng)反射鏡(9)直接進(jìn)入第二CCD光譜儀(12)進(jìn)行測量，得到與偏振無關(guān)的光譜分布，亦即時(shí)間強(qiáng)度分布；⑤將第一CCD光譜儀(11)和第二CCD光譜儀(12)得到的測量結(jié)果進(jìn)行比較，即可得到待測的高速光脈沖序列(5)的輸入量ETHz(t)而導(dǎo)致的偏振變化，由于測量量N(ω)與輸入量ETHz(t)成正比，可從N(ω)反演出ETHz(t)，從而得到高速光脈沖序列(5)的信息。
全文摘要
一種利用啁啾脈沖頻譜測量太赫茲脈沖序列的方法和裝置，其裝置包括超短脈沖光，在該超短脈沖光的前進(jìn)方向有第一分束片和光柵對(duì)，所述的超短脈沖光經(jīng)光柵對(duì)展寬為一線性啁啾脈沖光，在該啁啾脈沖光經(jīng)第一分束片的反射光方向依次為起偏器和第二分束片，一待測的高速光脈沖序列從第二分束片的另一方向透射，在該待測的高速光脈沖序列的前進(jìn)方向依次為第二分束片、非線性晶體、第三分束片、檢偏器和第一CCD光譜儀，在第三分束片的反射方向經(jīng)一反射鏡進(jìn)入第二CCD光譜儀。本發(fā)明是利用寬頻譜的啁啾脈沖光作為探針，利用非線性晶體的光克爾效應(yīng)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的皮秒量級(jí)的時(shí)間測量。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J11/00GK1851421SQ20061002673
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者楊明, 劉建勝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所