专利名称：用于产生太拉赫电磁载波的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生0. 1太拉赫(teraherz)与10太拉赫之间的频率范围内 的适于无线数据传输的电磁载波的方法。本发明还涉及一种实现该方法的系统。
背景技术：
自从大约100年前开始应用无线数据传输技术以来，可供传输的带宽在不断增 长。如所知那样，可用于传输的频带宽度取决于载波频率，因此随着频率增高，可用传输带 宽也增大。如今，使用从几千赫至几千兆赫范围的载波频率。因此，所谓“无线HD”工作在 60GHz载波频率和4Gb/s带宽下。为了能获得lOGb/s和更高的范围内的数据率，将来可能 将太拉赫范围内的波用作载波。这类太拉赫波是藉由特快电子电路或光学方法来产生的。因为电子方法由于自由 电子和空穴的寿命而速度受到限制，所以这些方法如果在高于IOOGHz的频率下只能低效 率地工作。相反，用于产生太拉赫波的现有技术光学方法多数采用高频率，该高频率随后通 过混频而被降频。对于用太拉赫波的数据传输而言，可以高精度再现载波频率是非常关键的。如此， 接收机可产生随后用于解调入射波的同一频率的载波。由于接收机必须动态地调整自身以 适应特定发射频率，因而载波基频随时间不可控的变化会妨碍数据传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，由此以简单和经济的方式产生具有高频率稳定性 和良好再现性的太拉赫波。本发明的附加目的是提供一种实现该方法的系统。这些目的由具有权利要求1的特征的方法和根据权利要求7的系统达成。在各个 从属权利要求书中陈述本发明的优选实施例。本发明的实质基本思想是提供一种用于太拉赫波的发射机，该发射机如下提供 用于信息传输的一个或多个信道从第一电磁光波开始，下文中称其为“泵激波(pump wave)，，；使用物理效应或借助特殊实验配置来产生第二光波，其中该物理效应或实验配置 采用能用泵激波产生的频率而不需要在外部确定太拉赫范围内的“外来频率”，从而第一和 第二光波的频率差是固定的。由于第一光波的频率变动均等地传递至第二光波的频率，因 而通过留在由泵激波确定的单个频率的参考系统中，能获得再现性尤佳的载波频率；但是， 差频保持不变。由此通过该物理过程或实验配置来产生用于之后混频的具有定义频差的至 少两路“混频波”，其中泵激波本身可构成诸混频波之一。替代地，泵激波也可产生具有固定 频率间隔的多路光波，这些产生的波接下来被混频以产生差频波。由于是同一来源(即，泵 激波)，因而这两路混频波彼此间也具有固定的频率关系。在接下来的过程中，这两路混频波根据本发明彼此组合，其中通过混频来产生可 用于载波的混合频率。在该背景下，混频过程是公知的。因此，为了通过该过程产生频率范 围在0. 1太拉赫与10太拉赫之间的载波，应当一开始产生适宜的输出频率的混频波。通过根据本发明的混频波生成确保了能够以可再现的方式产生混合频率并且该混合频率经受 很小的时间变动。约ω可见 6X IO14Hz = 600ΤΗζ频率下的可见光本身可作为泵激波。为了产生 良好定义的频率的太拉赫波，尤其是产生频率变动保持在大约IOMHz的信道间隔内的太 拉赫波，在频率为ω胃…和ω ^lp12的独立波的差频混频的情形下，它们的频率必须用优于 10ΜΗζ/600ΤΗζ 10_8的绝对精度来设定。这几乎是不可能的尝试。通过根据本发明的采 用在某种意义上“频率耦合”的两路波的方法，能够容易地获得这种精度。根据本发明，首先产生频率为ω 的相干泵激波。随后，借助变频过程，将该相 干泵激波部分地变频至频率为ω ^2的混频波，其中所使用的变频器采用如上所述地确定 固定频率偏移的物理过程或实验配置。拉曼散射(Raman scattering)尤其可以作为此类 物理过程的例子。根据本发明的方法的特殊优点是一方面，泵激辐射的绝对频率ω ^bi以及泵激 频率的变动对太拉赫波的结果频率来说并不关键。因此，可使用该方法在截然不同的设备 中——特别是在发射机和接收机中——彼此独立地产生相同频率的太拉赫波。另一优点是 所产生的太拉赫载波的频率随时间没有显著变化，如同该太拉赫载波是通过两个独立的激 光源产生的一样。这具有很大的优点接收机可以固定地将自身调谐至一个频率并且不需 要动态地跟踪太拉赫载波的频率变动。当然，可使用已知方法在根据本发明产生的太拉赫 载波上调制信息，使其能传输数据。例如调幅、调频、调相和极化调制。最后，要注意本发明能实现太拉赫范围的标准化，其中这种良好定义的太拉赫频 率被确定为能通过物理过程和/或光学配置再现地获得。
根据本发明的方法将参照图1-4在下面予以描述，附图示出图1是测得的拉曼光谱；图2是具有回音壁模式谐振器的配置；图3是具有激光器的两种配置；以及图4是光谱线的分布。
具体实施例方式图1示出例如同样业内公知的铌酸锂晶体的测得拉曼光谱。在这方面，用可见光 范围内频率为ω 的泵激波1辐射该晶体导致泵激波1部分变频至其它频率的波，即拉 曼线2。这些拉曼线2可与泵激波一起用作混频波。拉曼效应的频移源自泵激波1的光子 吸收或放出来自晶体(声子)晶格变化的能量。如同内部振荡器，这些晶格变化具有精确 的频率。图1所示的光谱提供了产生具有频率ω ^2的合适波的多种选择，以使差频ω胃 Μ-ω 落在太拉赫范围内。拉曼散射的斯托克司线或反斯托克司线在这里是否用作混 频波一般是不重要的。作为示例，绘出了泵激基波1和第一拉曼线3之间大约1. 2ΤΗζ的差频。所示光谱 是通过光学参量振荡器中的周期极化的铌酸锂晶体产生的。晶体温度为T = 65°C，而晶体 结构的周期长度为Λ =29.5μπι。对于光谱(a)-(e)，光学参量振荡器的泵激功率上升，从而泵激波的功率也上升。随着功率的上升可以看到越来越多的拉曼线2。需要注意，拉曼线2具有与其余泵激波1相似的强度。通过这种强度的拉曼线，可 以在非线性光学元件中通过从两路此类混频波产生的差频来产生实际的太拉赫波。如果频 率为ω可见2和ω可见丨的波表现出可比拟的功率，就可高效地达成这个目的。由于拉曼效应仅出现在大的光功率水平下，因此较为有利地将表现出拉曼效应的 非线性材料设置在谐振器中以增大光强度。这可以是光学参量振荡器。也可采用其它不具 有光学参量过程的谐振器；其中作为光强度增强措施的高“精密度”谐振器在这里是优选 的。图2所示的回音壁模式谐振器4是尤为优选的。这些回音壁模式谐振器4由圆盘构成， 其中光由于内部全反射而保持被捕获状态。因此，泵激波5a可借助棱镜6耦合输入到回音 壁模式谐振器4中，其中由于拉曼过程而除了泵激波5b之外还出现额外的拉曼频移线7。 使用棱镜6，拉曼频移线7可与泵激波5b的一部分一起耦合输出。随后如上所述地用分开 的非线性元件产生实际的太拉赫辐射。例如，非线性光学晶体和光子混合器可用于实现这 个目的。回音壁模式谐振器在其实现中可以是紧凑型的。这些谐振器的高精密性导致即 使在几毫瓦泵激功率下也能使几瓦光在谐振器中振荡，这足以产生拉曼效应。如此，在具有 一瓦输出功率的激光二极管的谐振器中能获得几千瓦的光功率。这种配置因此特别适于连 同激光二极管一起工作。在这种功率等级下可获得具有产生808nm、880nm和976nm波长的 光的各个发射器的激光二极管。在一优选配置中，用于差频混频的元件可集成在谐振器中，该元件随后从混频波7 和5b产生实际的太拉赫载波。这省去了从谐振器耦合输出不同于太拉赫波的其他光的需 要。为此，例如从诸如铌酸锂之类的非线性光学晶体来构造谐振器。图2示出了来自这种 材料的一些拉曼线，该材料另外表现出所谓的χ⑵非线性，该非线性可用来同时在谐振器 中通过对波7和5b进行混频来产生期望的太拉赫波。为了这个目的需要相位匹配。限位 匹配在这里可通过晶体的周期性极化来达成，这被称为准相位匹配。还适于实现根据本发明的方法的是以良好定义的方式在红外、可见或紫外光谱范 围内产生频率为ω胃^和ω胃⑴的两路波的光学配置，其中这两路波的差频落在太拉赫范 围内。图3示出这种配置的一个例子；这是具有宽放射光谱(图3Α的右侧)的激光器过程。 这种激光器具有后镜8、激光活化介质9以及输出耦合镜10。这里，激光活化介质9的一端 也可因菲涅耳反射或附加涂层而构成后镜8。激光束11的光谱带宽覆盖超过一个纳米。如果将长度L的附加谐振器12引入该激光器(图3Β)，则只有同样相对于该谐振 器谐振的光波才能开始振荡。如果制造谐振器的材料具有折射率η，则短谐振器的纵模的频 率间隔为Δω = π c。/(Ln2)，其中c。代表光在真空中的速度。为了达到Δ ω/2 π = ΙΤΗζ, 对η = 1. 5 (玻璃)需要大约0. 42mm的L。由于L和η均取决于温度，因而例如在谐振器是 由玻璃或其它介电材料制成的情况下可以通过温度来实现谐振器长度的细调。以此方式， 从宽频谱中截取具有稳定频差ωΤΗζ的定义线 ω可见1禾口 ω可见2， 这些定义线 ω可见ι禾口 ω可见 2根据本发明被用作混频波以通过混频产生太拉赫载波频率。优选地使不具备谐振器的激光器(图3Α)的发射光谱大约为模间隔Δ ω的两倍 那么宽。可受到高精度和高再现性控制的谐振器厚度以固定方式定义差频△ 。由于上面 提到的L和η的温度相关性，谐振器中少量的温度变化也能确保相对于增幅的最大值对称地落在两边的两个模开始谐振，如图3B的光谱中示意性指出的那样。如果激光活化材料例如为发射出SOOnm波长的光的半导体，则在前述数字示例中 超过1500路波配合于谐振器。这意味着由温度引起的小于0. 001的相对长度变化足以使 这两个模最优地起振。尽管如此，仍然可以至少0. 的精度建立太拉赫差频。如果最终这 两路期望的波均存在，则能够接下来再次借助非线性光学元件从这两路生成波产生太拉赫 波。图4又一次概括了这些过程在第一步骤(a)，产生频率为ω 的泵激光13，其 中对于频率的精确性没有特殊要求，从而即使是大功率激光二极管也能被用作光源。在步 骤(b)，借助可以是物理过程或实验配置的变频器以良好定义的方式改变一部分泵激光13 的频率，从而除了由泵激光形成的混频波外，还产生频率ω ^lp12下的附加混频波14。拉曼 效应可以是这个方面的适宜过程。替代地，如上所述，良好定义频率下的混频波13、14可通过发射出不同频率下的 两路波的激光器来产生，从而可通过步骤(b)开始。配有谐振器的激光器在这里充当变频器。在接下来的步骤(C)中，借助尤其导致差频混频的混频器产生可充当载波的频率 ωΤΗζ下的期望太拉赫光15，最后在步骤(d)，使该载波经过调制器，该调制器可以频率间隔 Q1产生边带16但主要用于将信息加载到载波15上。
权利要求
一种用于产生0.1太拉赫与10太拉赫之间的频率范围内的适于无线数据传输的电磁载波(15)的方法，其特征在于借助电磁泵激波(1、5、13)在产生过程中产生具有定义频差的至少两路混频波(1、2、3、5、7、13、14)，其中所述泵激波(1、5、13)本身能够构成所述混频波(1、2、3、5、7、13、14)之一，所述载波(15)是通过来自所述混频波(1、2、3、5、7、13、14)的混频，尤其是差频混频，而产生的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵激波(1、5、13)的频率落在可见光频 率范围内或附近。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述混频波(1、2、3、5、7、13、14)中的至 少一路是通过由所述泵激波(1、5、13)激励的非线性光产生过程而产生的。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非线性光产生过程是发生在非线性 介质(4)中的拉曼散射，其中拉曼线(2、3、7、14)中的一个被用作可再现地频移的第二混频波。
5.如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，激光器过程被用作产生所述混频波的配置，在所述激光器过程中引入第二谐振器 (12)，其中所述激光器(11)产生频率间隔在0. ITHz与IOTHz之间的两路光波。
6.如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，借助调幅、调频、调相或极化调制将信息调制到所述载波(15)上以传输信息。
7.一种用于实现前述权利要求中的任何一项所述方法的配置，其特征在于， 激光源，用于产生泵激波(1、5、13)；变频器，用于基于所述泵激波(1、5、13)来产生具有定义频差的至少两路混频波(1、2、3、5、7、13、14)，其中所述泵激波(1、5、13)本身能构成所述混频波(1、2、3、5、7、13、14)之 一；混频器，用于将所述混频波(1、2、3、5、7、13、14)混频成位于0. 1太拉赫与10太拉赫之 间的频率范围内的载波(15)。
8.如权利要求7所述的配置，其特征在于，所述光源产生频率在可见光范围内或附近 的激光。
9.如权利要求7或8所述的配置，其特征在于，所述激光源和所述变频器组合在激光器 中，在所述激光器的光路上设置谐振器(12)。
10.如权利要求7所述的配置，其特征在于，所述变频器具有非线性光学晶体，所述泵 激波在所述非线性光学晶体中产生拉曼散射。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生0.1太拉赫与10太拉赫之间的频率范围内的适于无线数据传输的电磁载波(15)的方法和设备，其中借助电磁泵激波(1、5、13)在产生过程中产生具有定义频差的至少两路混频波(1、2、3、5、7、13、14)，其中泵激波(1、5、13)本身构成混频波(1、2、3、5、7、13、14)之一，载波(15)是通过来自所述混频波(1、2、3、5、7、13、14)的混频，尤其是差频混频，而产生的。
文档编号H04B10/155GK101999214SQ200880128216
公开日2011年3月30日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年3月20日
发明者B·克纳伯, I·布罗宁, J·基斯林, K·布斯, R·索沃德 申请人:德国电信股份有限公司