廉价太赫脉冲波生成器

摘要

在太赫区域内的信号脉冲使用由被光耦合至偏置Auston开关、具有小占空比的模式锁定半导体激光二极管组成的设备生成。来自模式锁定半导体激光二极管的输出可以首先提供给脉冲压缩器，而所产生的压缩脉冲提供给Auston开关。优选地，半导体激光二极管的模式锁定是可控的，即它是有源的模式锁定半导体激光器，使得来自激光器的输出光信号的相位锁定于输入控制信号的相位。

权利要求

1.一种用于生成太赫区域内的信号脉冲的方法，所述方法包括如下步骤；

提供来自第一模式锁定半导体激光二极管的光脉冲，所述第一模式锁定半导体激光二极管的光输出被模式锁定于电控信号；

在偏置Auston开关中生成所述太赫区域内的电磁脉冲，在太赫区域中的所述电磁脉冲的每一个响应于来自所述第一激光二极管的所述光脉冲中的相应一个而生成；

在非偏置Auston开关处接收所述太赫区域内的所述电磁脉冲的至少一部分；

在相位调谐器中使所述电控信号进行相位偏移，以生成修改的电信号；以及在所述非偏置Auston开关处接收由第二模式锁定半导体激光二极管提供的光脉冲，所述第二模式锁定半导体激光二极管的光输出被模式锁定于所述修改的电信号。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括压缩由所述第一和第二激光二极管中的至少一个提供的光脉冲的持续时间的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光脉冲具有约1.5μm或约1.3μm的载波波长。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括放大由所述第一和第二激光二极管中的至少一个提供的光脉冲的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述非偏置Auston开关接收的所述太赫区域脉冲的能量的所述至少一部分已经接触所研究的材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，由于在所述电控信号和所述修改的电信号之间存在相位偏移，则由所述第一和第二激光二极管所产生的作为输出的所述光脉冲相对于彼此瞬时偏移。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括改变所述相位偏移的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电控信号和所述修改的电信号的每一个都是正弦信号。

9.一种用于生成太赫区域内的信号脉冲的设备，包括：

第一模式锁定半导体激光二极管，所述第一模式锁定半导体激光二极管的光输出被模式锁定于电控信号，所述第一激光二极管提供第一光脉冲；

用于生成太赫区域内的电磁脉冲的部件，所述太赫区域内的所述电磁脉冲的每一个响应于所述第一光脉冲中的相应一个而生成；

相位调谐器，适合使所述电控信号进行相位偏移，以生成修改的电信号；

第二模式锁定半导体激光二极管，所述第二模式锁定半导体激光二极管的光输出被模式锁定于所述修改的电信号，所述第二激光二极管提供第二光脉冲；和用于响应于所述太赫区域内的所述电磁脉冲的至少一部分和所述第二光脉冲的接收而生成电输出信号的部件。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述相位调谐器适合改变所述电控信号和所述修改的电信号之间的相位偏移，以改变所述第一和第二光脉冲之间的瞬时偏移。

11.根据权利要求9所述的设备，还包括一个或多个脉冲压缩器，所述脉冲压缩器适合压缩所述第一光脉冲或第二光脉冲的持续时间，或者适合压缩所述第一光脉冲和第二光脉冲的持续时间。

12.根据权利要求9所述的设备，其中：

所述用于生成太赫区域内的电磁脉冲的部件包括偏置Auston开关；并且所述用于生成电输出信号的部件包括非偏置Auston开关。

13.根据权利要求9所述的设备，其中在太赫区域内的所述电磁脉冲接触被测材料之后，所述太赫区域内的所述电磁脉冲的至少一部分被接收。

说明书

廉价太赫脉冲波生成器

技术领域

[0001] 本发明涉及在太赫频率(terahertz frequency)范围内电磁波脉冲的产生。

背景技术

[0002] 在所谓的“太赫区域”，也被称为“太赫鸿沟”(例如在300千兆赫与10太赫之间)中的信号脉冲对各种应用(例如频谱分析仪和成像应用)很有用。 现有技术太赫脉冲波生成器采用钛宝石(Ti:Sapphire)激光器，该钛宝石激光器一般在相应于大约400太赫的780nm载波波长上生成光脉冲，每一个脉冲具有一般在50到300飞秒之间的周期，即每一个脉冲的谱宽大约为3太赫。 随后脉冲被引至分光器(opticalsplitter)，分光器产生该脉冲的两个复制(replica)。复制之一的脉冲被提供给偏置Auston开关(biased Auston switch)，偏置Auston开关响应输入光脉冲而产生具有大约1至2太赫谱宽的电磁脉冲。该Auston开关包括天线或者可能透镜(例如硅透镜)以聚焦太赫脉冲。

[0003] 这类太赫脉冲的一种使用是通过使该太赫脉冲对准被测材料(例如药品)从而它们被从那里反射回接收，非偏置Auston开关来实现的。 所述非偏置Auston开关具有由钛宝石激光器生成的光脉冲的第二复制的不同延迟版本。 一般地，机械可调谐的光延迟线路实现该延迟。 非偏置Auston开关响应于反射的太赫信号而生成电输出，所述非偏置Auston开关在其由太赫光信号激发时接收反射的太赫信号。

[0004] 第二复制的延迟光脉冲用于控制Auston开关产生输出的时间。 换言之，第二复制的延迟光脉冲为Auston开关的输出“设置门槛”(只有当接收到第二复制的光脉冲时才从那里生成输出)。 改变延迟从而使所研究的部分反射太赫脉冲与门脉冲(gating pulse)同时到达Austin开关。 请注意，如果没有对第一复制作过改动或者改变被测材料的位置，那么每一个反射脉冲应当是相同的。 因此，为了获得反射太赫脉冲整体的总体印象，改变每一个太赫脉冲序列在第二复制路径中的延迟以在反射脉冲之一的整个宽度上扫描。

[0005] 缺点在于钛宝石激光器的使用太过昂贵。 同样，机械可调谐的延迟线路的使用也使测量缓慢且相对昂贵。 而且，由于所述延迟线路是机械的，所以该器件不如所期望的稳定，并且因此而不适用于移动应用。

发明内容

[0006] 发明人已认识到，根据本发明的原理通过由光耦合至偏置Auston开关的具有小占空比的模式锁定的半导体激光二极管(mode-lockedsemiconductor laser diode)组成的设备，可以改进在太赫区域信号脉冲的产生。 为了改进性能，例如为了增加太赫脉冲的频宽，即为了使它们的持续时间更短，来自模式锁定的半导体激光二极管的输出可以首先提供给脉冲压缩器，而所产生的压缩脉冲提供给Auston开关以生成太赫脉冲。优选地，所述半导体激光二极管的模式锁定是可控的，即它是有源的模式锁定半导体激光器，由此来自激光器的输出光信号相位锁定于输入控制信号的相位。

[0007] 根据本发明的一个方面，研究材料可以使用包括如下器件的设备：a)第一模式锁定的半导体激光二极管，其输出耦合至偏置Auston开关以生成提供给被测材料的太赫脉冲；和b)第二模式锁定的半导体激光二极管，所述第二模式锁定的半导体激光二极管光耦合至非偏置Auston开关，所述非偏置Auston开关响应于已经接触被测材料(即已经从被测材料处反射和/或至少部分通过被测材料)的太赫脉冲以及来自第二激光二极管的激光脉冲的接收而生成电信号。 激光器中至少一个的模式锁定控制的相位可以是可控地变化以扫描接触脉冲之一的整个宽度，从而实现与由使用机械可调谐的光延迟线路的现有技术所实现的同样的功能。

[0008] 根据本发明的另一个方面，研究材料可以使用在其中来自第一模式锁定的半导体激光二极管的脉冲输出被引至分光器的设备，所述分光器生成所述脉冲的两个复制。使用固定延迟(例如光纤延迟或者自由空间延迟)来延迟复制中的一个。 延迟的复制和没有延迟的复制分别被耦合至各自的Auston开关，其中的一个是偏置的而其中的一个不是。扫描是由以周期的方式些微地(slightly)重复地改变由激光二极管生成的脉冲的重复频率来执行的。 结果是在延迟线路的输出处的脉冲在每一个周期上相应于未延迟复制改变(shift)。

[0009] 为了改进性能(例如增加太赫脉冲的频宽，即使它们的持续时间更短)，来自每一个模式锁定半导体激光二极管的输出可以先提供给脉冲压缩器，而所产生的压缩脉冲提供给各个相关的Auston开关。

[0010] 优点是两个模式锁定的半导体激光二极管相比于钛宝石激光器更便宜、使用更少的功率、更小、需要更少的维护并且更易携带。 进一步的优点是减少机械可调谐的光延迟线路的使用使测量更快并且相对地便宜。 此外，该器件更稳定且特别适用于移动应用。

附图说明

[0011] 在图中：

[0012] 图1根据本发明的原理示出用于生成在太赫区域内的信号脉冲和研究材料的一个示范装置；以及

[0013] 图2根据本发明的原理示出用于生成在太赫区域内的信号脉冲和研究材料的另一个示范装置。

具体实施方式

[0014] 下文仅阐明了本发明的原理。 因此应该明白，本领域技术人员将能设计各种装置，所述装置虽然没有在文中明确描述或者示出，但包含了本发明的原理并且包括在本发明的精神和范围之内。 而且，本文所叙述的所有示例以及条件语言主要只用于教育目的以帮助读者详细地理解本发明的原理以及由发明人贡献以促进现有技术的概念，并且被构造为不限于这种特定叙述的实施例和条件。 此外，本文叙述的原理、特征和本发明的实施例以及其中的特定示例的所有陈述用于包括它们的结构性等同物和功能性等同物。 而且，意图是这种等同物既包括现有已知的等同物又包括在将来所开发的等同物(即无论其结构如何，所开发的执行相同功能的任何元件)。

[0015] 本领域技术人员将明白，本文的任何框图只表示包含本发明原理的示例性电路的概念图。 图中所示出的各种元件的功能(包括标为“处理器”的任何功能模块)可以通过使用专用的硬件以及能够运行与合适软件相关联的软件的硬件来提供。 当由处理器来提供，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或者其中的一些可以共享的多个单独处理器来提供。

[0016] 在权利要求中，用于执行特定功能表述为部件的任何元件用于包括执行该功能的任何方式。这可以包括例如，a)执行上述功能的电气元件或者机械元件的组合或者b)任何形式的软件(因此包括固件、微代码等)同用于运行该软件的合适电路相结合以执行上述功能，以及如有的话，耦合至软件所控制电路的机械元件。 由这些权利要求所定义的本发明基于这样如下事实：各种所述部件所提供的功能被组合并且以权利要求的方式提出。 因此，申请人将能够提供那些功能的任何部件视为本文所示部件的等同物。

[0017] 除非本文另明确说明，附图不按比例绘制。 同样地，除本文另明确说明，对本公开来说，在本文所公开的全部实施例中能够提供特定功能的所有光元件或者系统彼此等同。

[0018] 在说明中，在不同的图中标相同数字的部件指的是相同的部件。

[0019] 根据本发明的原理通过由光耦合至偏置Auston开关的具有小占空比的模式锁定的半导体激光二极管组成的设备实现了在太赫区域信号脉冲的产生。 为了改进性能，例如为了增加太赫脉冲的频宽，即为了使它们的持续时间更短，来自模式锁定的半导体激光二极管的输出可以首先提供给脉冲压缩器，而所产生的压缩脉冲提供给Auston开关以生成太赫脉冲。 优选地，所述半导体激光二极管的模式锁定是可控的，即它是有源的模式锁定半导体激光器，来自激光器的输出光信号相位锁定于输入控制信号的相位。

[0020] 图1示出包括模式锁定半导体激光二极管101和偏置Auston开关103的用于在太赫区域内生成信号脉冲的示范装置。同样示出模式锁定正弦生成器109，可选的脉冲压缩器113以及可选的光放大器121。

[0021] 模式锁定半导体激光二极管101一般以无线电通信应用所采用的载波波长(例如1.5μm或者1.3μm)产生光的脉冲(即光脉冲)，脉冲具有小占空比。 在1.5μm处由作为激光二极管输出所提供的光脉冲的载波频率大约为200太赫。 同样地，为无线电通讯应用而设计的现有激光二极管一般能生成一系列(a train of)光脉冲，在所述光脉冲中每一个脉冲有1皮秒左右的宽度并且脉冲重复频率大约为40吉赫，尽管可以设计具有更小占空比的传统激光二极管。 在频域，来自模式锁定半导体激光二极管101的输出是中心位于200太赫的光载波频率并且具有大约1太赫宽度的凸出部分(lobe)。优选地，模式锁定半导体激光二极管101的模式锁定是可控的，即它是有源的模式锁定半导体激光器，从而来自激光器的输出光信号的相位锁定于输入控制信号的相位。

[0022] 模式锁定正弦生成器109生成正弦模式锁定信号，所述正弦模式锁定信号作为输入控制信号提供给模式锁定半导体激光二极管101。 正弦模式锁定信号的频率一般在40吉赫左右。 正弦模式锁定信号控制由模式锁定半导体激光二极管101产生的脉冲相位。 模式锁定半导体激光二极管101(例如通过光纤、自由空间或其组合)光耦合至偏置Auston开关103。

[0023] 偏置Auston开关103响应到其上的光脉冲入射来在太赫区域产生电磁脉冲。 更具体地，偏置Auston开关103通过产生具有与锁定信号的正弦模式频率一样的重复频率和大约1皮秒宽度并因此在太赫范围内具有频率分量的脉冲电磁信号来响应光脉冲。 偏置Auston开关103可以用连续电压偏置。 偏置Auston开关103的输出可以耦合至天线(例如天线125)，从而所产生的电信号导致在太赫范围内具有频率的电磁波从天线125中传送(例如辐射入空间)。 备选地，所产生的电信号可以由聚焦器件(例如透镜或者天线)捕获并提供给波导(例如为了包含在芯片上产生的太赫波)。

[0024] 可选的脉冲压缩器113使脉冲的持续时间更短，因此相应地，增加它们的可以增加性能的频宽。 可选的脉冲压缩器113接收来自模式锁定半导体激光二极管101的光脉冲并将压缩脉冲提供给偏置Auston开关103。在现有技术中众所周知，脉冲压缩器113可以由耦合至色散补偿器(chromatic dispersion compensator)的非线性光波导组成。

[0025] 可选的光放大器121(例如掺铒光纤放大器或者半导体光放大器)放大它接收的光信号并将放大版本提供给偏置Auston开关103。

[0026] 根据本发明的一个方面，研究材料(例如图1中示出的被测材料117)可以通过将由偏置Auston开关103生成的电磁太赫脉冲引入“接触”被测材料117并在接触后分析电磁太赫脉冲的至少一部分来实现。 请注意当脉冲已经从材料中反射和/或通过至少部分材料时，脉冲已经接触到所研究的材料。 对研究材料有用的图1中示出的部件是1)第二模式锁定半导体激光二极管107；2)非偏置Auston开关125；3)可选的相位调谐器119；4)可选的脉冲压缩器115；以及5)可选的光放大器123。

[0027] 优选地，与模式锁定半导体激光二极管101相同，模式锁定半导体激光二极管107一般以无线电通信应用所采用的载波波长(例如1.5μm或者1.3μm)产生光脉冲和具有小占空比的脉冲。在1.5μm处由作为激光二极管输出提供的光脉冲的载波频率大约为200太赫。 正如本文之前所提到的，为无线电通讯应用而设计的现有激光二极管一般能生成一系列光脉冲，在所述光脉冲中每一个脉冲有1皮秒左右的宽度并且脉冲重复频率大约为40吉赫。 在频域，来自模式锁定半导体激光二极管107的输出是中心位于200太赫的光载波频率并且具有大约1太赫宽度的凸出部分。 优选地，模式锁定半导体激光二极管107的模式锁定是可控的，即它是有源的模式锁定半导体激光器，从而来自激光器的输出光信号的相位锁定于输入控制信号的相位。

[0028] 在其由可选的相位调谐器119修改之后，由模式锁定正弦生成器1 09产生的正弦模式锁定信号被提供给模式锁定半导体激光二极管107。因此，正是修改后的正弦模式锁定信号被作为输入控制信号提供给模式锁定半导体激光二极管107以控制其产生的脉冲的相位。模式锁定半导体激光二极管107(例如通过光纤、自由空间或其组合)光耦合至非偏置Auston开关105。

[0029] 非偏置Auston开关105响应于如下而产生电输出：1)到其上的光脉冲入射，以及2)电磁脉冲能量一部分的电磁信号，所述电磁脉冲由偏置Auston开关103生成并且与材料117接触。 通过可选的天线127接收与材料117接触的电磁信号，所述天线127集中能量并将其引至非偏置Auston开关105。

[0030] 更具体地，每一个在非偏置Auston开关105上的光脉冲入射使载波在那里发展(develop)。一般地，直到饱和，入射光脉冲越强，产生的载波越多。这些载波响应于由此从被测材料117所接收的信号被在非偏置Auston开关105中产生的电磁场扫过(sweep)至输出(即读出111)。 因此，由非偏置Auston开关105产生输出的时间由模式锁定半导体激光二极管107来控制，因为即使当电磁信号正在被接收从而引起在非偏置Auston开关105内电磁场的产生，除非存在其中生成的载波，否则将不会产生输出。 类似地，即使响应于光脉冲而产生载波，如果非偏置Auston开关105没有接收到电磁信号，那么将不会生成输出。 请注意，所产生的将会到达输出的载波的密度是(例如)与所接收的电磁信号的强度成比例的函数。

[0031] 在非偏置Auston开关105处接收的电磁信号一般比接触被测材料的电磁信号宽。 为了表示在非偏置Auston开关105处接收的整个电磁信号，有必要获取在不同时间点上来自非偏置Auston开关105的所接收的信号输出值。 在概念上，这可以理解为对电磁信号采样。 然而，对激光二极管107的每一个脉冲只采一个样点，因此整个所接收的电磁信号的即时快照无法获得。 这个问题可以这样的克服，即通过认识到一般就从偏置Auston开关103发射的一组基本相同的太赫脉冲的每一个而言，非偏置Auston开关105将会接收互相之间基本相同的一组电磁信号。 因此，在不同时间处对这些所接收的电磁信号的许多不同种的一致信号中的每一个进行采样以构造单个接收脉冲的表示是可能的。

[0032] 每一次测量所占用的时间是由激光二极管107生成它的光脉冲的时间来设置的，因此导致在非偏置Auston开关105中产生载波。 相位调谐器119又控制时间，在所述时间上激光二极管107生成其光脉冲的每一个。 因此，通过改变提供给激光二极管107的正弦模式锁定信号的相位，相位调谐器119可以导致在反射脉冲整个宽度上延展的时间上进行采样，因而取得与由使用机械可调谐光延迟线路的现有技术所取得的同样效果。 因为在实际中相位基本可以是连续变化的，所以获取电磁信号的基本连续的波形是可能的。 正如本领域一般技术人员将容易明白的，读出111可以执行采样以用于数字化和随后分析的目的。

[0033] 尽管示出以及描述了改变提供给模式锁定半导体激光二极管107的模式锁定信号的相位，本领域技术人员将容易明白该模式锁定信号的相位可以被保持为恒定，而提供给模式锁定半导体激光二极管101的模式锁定信号的相位可以是变化的。 因此，只要求至少一个激光器的模式锁定控制的相位可以是可控地变化以在反射脉冲之一的整个宽度上扫描。

[0034] 请注意，为了改进整体测量并且减少噪声，期望在多个所接收的电磁信号期间取得相同时间的读数并在移动到下一个时间之前一起平均那些读数。

[0035] 可选的脉冲压缩器115使脉冲的持续时间更短，因此相应地，增加它们的频宽可以增加性能。可选的脉冲压缩器115接收来自模式锁定半导体激光二极管107的光脉冲并将压缩脉冲提供给非偏置Auston开关105。 本领域的一般技术人员将容易明白，优选地，所给定的实施例应当包括可选的脉冲压缩器113和115，所述脉冲压缩器113和115应当具有相同的性能。 在现有技术中众所周知，脉冲压缩器115可以由耦合至色散补偿器的非线性光波导组成。

[0036] 可选的光放大器123(例如掺铒光纤放大器或者半导体光放大器)放大它接收的光信号并将所放大的版本提供给非偏置Auston开关105。 本领域的一般技术人员将容易明白，优选地，所给定的实施例应当包含可选的光放大器121和123，所述光放大器121和123应当具有相同的性能。

[0037] 优点是两个模式锁定的半导体激光二极管相比于如现有技术系统所要求的钛宝石激光器更便宜、使用更少的功率、更小、要求更少的维护并且更易携带。 进一步的优点是减少机械可调谐的光延迟线路的使用使测量更快并且相对地便宜。 更进一步的优点是该器件更稳定且特别适用于移动应用。

[0038] 图2示出根据本发明原理用于研究(investigating)材料的另一个实施例。图2中所示的是1)模式锁定半导体激光二极管101；2)偏置Auston开关103；3)非偏置Auston开关105；4)可调谐频率生成器209；5)光延迟231；6)可选的脉冲压缩器113；7)光放大器121；8)分光器233；9)被测材料117以及读出器111。

[0039] 模式锁定半导体激光二极管101产生光脉冲，所述光脉冲被光耦合至偏置Auston开关103。 为了此目的，光脉冲通过分路器(splitter)233，所述分路器将光脉冲分为两路，因而产生了原始接收的脉冲序列的两个复制，其中的第一个传播至偏置Auston开关103。 在到达分光器233之前，光脉冲可以通过可能被采用的可选的脉冲压缩器113和/或可选的放大器121。由分光器产生的第二复制的光脉冲传输通过光延迟231，并随后传输至非偏置Auston开关105之上。 优选地，光延迟231具有大约10ns的延迟。 光延迟231可以由光纤或者自由空间延迟实现。

[0040] 可调谐频率生成器209将正弦模式锁定信号提供给模式锁定半导体激光二极管101。正弦模式锁定信号的频率一般在40吉赫范围，但它是可控地变化的。正弦模式锁定信号控制由模式锁定半导体激光二极管101产生的脉冲的频率。

[0041] 可操作地，从激光二极管101至偏置Auston开关103的路径与图1中相应的路径起同样的功能，除了只有部分所生成的光因为分光器233的出现到达偏置Auston开关103。 类似地，光脉冲通过延迟231到达在分光器233之后的非偏置Auston开关105。

[0042] 扫描的电磁信号(其在偏置Auston开关103处接收从而以类似于本文之前结合图1所描述的方式发展输出的)通过些微地(slightly)改变由可调谐频率生成器209生成的模式锁定信号的频率来执行以产生输出，其又些微地改变由激光二极管101生成的脉冲的重复频率。 请注意，优选地，延迟光延迟231的时间延迟与最大频率偏移的积(product)应当大约为1，从而当光延迟231的延迟为10ns时，频率改变为100MHz。 频率的些微改变是以周期的方式重复地执行。 换言之，最初在标称值上的频率被改变，增加或减少(例如)100MHz。 随后，它可以跳回至它的原始值，或者它可以反向扫回至它的原始值。 在频率改变的每一个周期上，在延迟线路输出的脉冲相应于没有延迟的复制的脉冲表现为在时间上连续移动。

[0043] 请注意，虽然光延迟231以在提供给非偏置Auston开关105的复制的路径中示出，但正如本领域一般技术人员所容易明白的，备选地，光延迟231可以被耦合在提供给偏置Auston开关103的复制的路径中。