一种实现太赫兹频率上转换的信号处理方法

技术领域

本发明属于太赫兹通信领域，具体说是一种实现太赫兹频率上转换的信号处理方法。

背景技术

近年来，随着物联网的飞速发展，各种智能终端设备的互联需要依托可实现超宽带、超高速率传输的通信系统，这就需要更高的载波频率来满足高于100Gbit/s的大数据量传输速率。目前，高速率通信的频段正在从毫米波向太赫兹频率(0.1-10THz)发展，而其中一大关键技术就是太赫兹信号的探测。现阶段，比较常见的太赫兹探测手段包括基于半导体肖特基二极管探测器、以及超导体-绝缘体-超导体隧穿结探测器等，但是这两类探测器的响应频段低于2.5THz，而且，在探测过程中需要配合太赫兹本地振荡源进行差频探测，系统复杂，并且成本较高；Bolometer是一种目前使用较多的太赫兹探测仪器，但是Bolometer的探测灵敏度低，且响应速度慢，根本无法满足高速率探测的要求；广受关注的太赫兹量子阱探测器可以按照需要设计响应频段，能够满足高频太赫兹信号的探测，并且响应速度快，灵敏度较高，但是量子阱探测器的工作环境需要极低温制冷(<50K)来维持，并且，目前的商用产品还并不成熟。

如果能够基于现有水平的商用器件来构建一套太赫兹信号探测系统，从而实现将太赫兹信号频率上转换为易于探测的波长，则可以降低太赫兹探测系统的研发难度，控制成本规模，同时为太赫兹信号处理提供一种新方法，并且，对太赫兹通信领域的发展提供极大的推动作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供了将太赫兹信号频率上转换为易于探测的紫外光信号的方法，可以基于目前的商用器件实现太赫兹信号处理，降低研发难度，控制成本规模。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种实现太赫兹频率上转换的信号处理系统，包括：太赫兹天线、泵浦光源发生装置、二向色镜、碱金属样品池、加热装置以及滤光镜，其中，所述太赫兹天线接收的太赫兹信号与泵浦光源发生装置输出的泵浦激光经二向色镜合束后，共线射入设在加热装置中的碱金属样品池，碱金属样品池输出的混有残余泵浦激光和太赫兹信号的紫外准直光经过滤光镜，得到紫外准直光，通过对紫外准直光进行光电探测，实现基于太赫兹信号频率上转换后的信号处理。

所述泵浦光源发生装置为一个泵浦光源。

所述泵浦光源发生装置包括两个泵浦光源和一个二向色镜A，两个泵浦光源发出的泵浦激光经二向色镜A合束，以使合束后泵浦光源再与太赫兹天线接收的信号合束。

所述泵浦光源发生装置包括两个泵浦光源和一个偏振分束立方体，两个泵浦光源发出的泵浦激光经偏振分束立方体合束，以使合束后泵浦光源再与太赫兹天线接收的信号合束。

加热装置为一密闭中空壳体，壳体左右两端各设有一个透明窗口，太赫兹信号和泵浦激光通过两个相对的透明窗口穿过碱金属样品池，所述透明窗口表面镀有波段增透膜。

所述碱金属样品池中的碱金属包括：钠、钾、铷、铯中的任意一种。

一种实现太赫兹频率上转换的信号处理方法，包括以下步骤：

太赫兹天线接收的太赫兹信号与泵浦光源发生装置输出的泵浦激光经二向色镜合束后，共线射入设在加热装置中的碱金属样品池；

加热装置对碱金属样品池进行加热，生成碱金属蒸汽，太赫兹信号和泵浦光源与碱金属蒸汽发生四波段混频过程，生成紫外准直光，并与残余泵浦激光和太赫兹信号一同输出；

混有残余泵浦激光和太赫兹信号的紫外准直光经过滤光镜，滤除残余泵浦激光和太赫兹信号，通过对滤除残余泵浦激光和太赫兹信号后的紫外准直光进行光电探测，实现基于太赫兹信号频率上转换后的信号处理。

所述泵浦光源发生装置发出的泵浦激光将碱金属样品池中位于基态的碱金属原子激发到m

所述泵浦光源发生装置发出的泵浦激光将碱金属样品池中位于基态的碱金属原子激发到m

所述太赫兹天线接收的太赫兹信号频率范围为：0.1～10.0THz。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.基于碱金属蒸汽实现四波混频，所需装置结构简单，无需光学谐振腔，方便光学调节。

2.可以采用目前比较成熟的商用水平泵浦光源、以及后续的紫外波段光电探测器，有利于控制系统成本。

3.紫外准直光与太赫兹信号具有一致的时间分辨特性，能够直接将太赫兹信号所携带的信息完全复制，且误码率低。

4.太赫兹频率的单光子能量极低，而太赫兹探测器的灵敏度有限，导致对太赫兹信号的能量要求较高；紫外波段的单光子能量高，相比太赫兹频率高出两个数量级，当前的紫外波段光电探测器灵敏度极高，可以实现对紫外光的单光子探测，因此，本方法对四波混频的转化率要求低，易于实现太赫兹频率上转化及探测功能。

5.本方法基于外界三束信号注入碱金属池，通过唯一路径发生四波混频过程，所产生的对应紫外准直光波长唯一，在紫外光探测过程中不会存在干扰问题。

6.本方法可以对一定频率范围内的太赫兹信号频率进行连续可调谐探测。

附图说明

图1为本发明的原理示意图a；

图2为本发明的原理示意图b；

图3为本发明的原理示意图c；

图4为本发明的原理示意图d；

图5为本发明的结构示意图a；

图6为本发明的结构示意图b；

图7为本发明的结构示意图c；

其中1为太赫兹天线，2为泵浦光源a，3为泵浦光源b，4为偏振分束立方体，5为二向色镜a，6为二向色镜b，7为碱金属样品池，8为加热装置，9为滤光镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

方案一：

如图5、图6所示，一种实现太赫兹频率上转换的信号处理方法，所涉及的装置结构包括一太赫兹天线，一泵浦光源a，一泵浦光源b，一碱金属样品池，一加热装置，一滤光镜。

所述太赫兹天线可以将空间内的太赫兹信号接收，并通过其波导结构，准直太赫兹信号的传播方向，使太赫兹信号进入碱金属样品池；

如图1、图2所示，所述泵浦光源a输出激光波长可以将位于基态(n

所述泵浦光源b输出激光波长可以将位于n

所述泵浦光源b输出激光波长也可以将位于n

泵浦光源a输出激光、泵浦光源b输出激光、与太赫兹天线接收的太赫兹信号三者经过准直与合束后，在空间上共线进入碱金属样品池，碱金属样品池在加热后内部产生了相应浓度的碱金属蒸汽原子，基于碱金属的三阶非线性极化发生了四波混频过程，产生了紫外波长准直光，参与四波混频的泵浦光源a输出激光、泵浦光源b输出激光、太赫兹信号、以及产生的紫外准直光满足能量守恒，紫外准直光的频率关系如公式(1)所示：

ω(UV)＝ω(a)+ω(b)+ω(THz) (1)

其中，ω(UV)为紫外准直光频率，ω(a)为泵浦光源a输出激光频率，ω(b)为泵浦光源b输出激光频率，ω(THz)为太赫兹天线接收的太赫兹信号频率。

方案二：

如图7所示，一种实现太赫兹频率上转换的信号处理方法所涉及的装置结构包括一太赫兹天线，一泵浦光源b，一二向色镜，一碱金属样品池，一加热装置，一滤光镜。

所述太赫兹天线可以将空间内的太赫兹信号接收，并通过其波导结构，准直太赫兹信号的传播方向，使太赫兹信号进入碱金属样品池；

如图3、图4所示，所述泵浦光源b输出激光波长可以将位于基态(n

所述泵浦光源b输出激光波长也可以将位于基态(n

泵浦光源b输出激光与太赫兹天线接收的太赫兹信号经过准直与合束后，在空间上共线进入碱金属样品池，碱金属样品池在加热后内部产生了相应浓度的碱金属蒸汽原子，基于碱金属的三阶非线性极化发生了四波混频过程，产生了紫外波长准直光，参与四波混频的泵浦光源b输出激光(双光子，2hν)、太赫兹信号、以及产生的紫外准直光满足能量守恒，紫外准直光的频率关系如公式(2)所示：

ω(UV)＝2ω(b)+ω(THz) (2)

其中，ω(UV)为紫外准直光频率，ω(b)为泵浦光源b输出激光频率，ω(THz)为太赫兹天线接收的太赫兹信号频率。

所述碱金属样品池内部充有足量碱金属，所述碱金属为钠、钾、铷或铯；所述加热装置用于加热碱金属样品池至所需温度，以产生相应浓度的碱金属蒸汽；

所述滤光镜对紫外光波段实现高透过率，对紫外光以外波段实现高反射率；

滤光镜将从碱金属样品池透射出的残余泵浦激光和太赫兹信号滤除，仅让紫外准直光透过，再通过紫外波段光电探测器将紫外准直光转换为电信号，进行后续信号处理。

所述泵浦光源a输出激光、泵浦光源b输出激光、与太赫兹天线接收的太赫兹信号无需严格共振碱金属原子能级，可以在偏离碱金属原子能级一定范围下，实现四波混频过程，相应地，所产生的紫外准直光波长也会发生变化，这样，本发明所述方法可以实现对一定频率范围内的太赫兹信号频率进行连续上转换。

根据所述泵浦光源输出激光波长与太赫兹天线接收的太赫兹信号频率为固定值时，由于发生紫外四波混频的路径为唯一，所产生的紫外准直光波长也为唯一，在对紫外光探测过程中不存在干扰问题。

所述紫外准直光与太赫兹信号具有一致的时间分辨特性，能够直接将太赫兹信号所携带的信息完全复制，且误码率低。

紫外光单光子能量高于太赫兹信号2～3个数量级，并且紫外光电探测器的灵敏度极高，可实现单光子探测，降低了对频率上转换系统的四波混频转化效率的要求。

所述泵浦光源输出激光波长与太赫兹天线接收的太赫兹信号频率不需要严格共振碱金属能级跃迁，因此，频率上转换系统对一定频率范围内的太赫兹信号频率都可以进行连续可调谐探测。

泵浦光源发生装置中泵浦光源发出的泵浦激光的波长，根据太赫兹信号以及碱金属样品池中所使用的碱金属种类共同决定，通过太赫兹信号频率来选择对应碱金属的跃迁能级(m

下面将结合附图1～附图7，以具体的实施例来对本发明加以说明，但本发明的保护范围不局限于这些实施例。

实施例1

四波混频所涉及能级示意图详见附图1所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图5所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个二向色镜a5，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钠金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到300℃，碱金属样品池7内部的钠金属在300℃下的饱和蒸汽压为1.6×10

泵浦光源a2输出激光波长为589.2nm，对应钠金属的D

泵浦光源a2输出589.2nm激光将位于基态(3

实施例2

四波混频所涉及能级示意图详见附图2所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图6所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个偏振分束立方体4，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钠金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到300℃，碱金属样品池7内部的钠金属在300℃下的饱和蒸汽压为1.6×10

泵浦光源a2输出激光波长为589.2nm，对应钠金属的D

泵浦光源a2输出589.2nm激光将位于基态(3

实施例3

四波混频所涉及能级示意图详见附图2所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图5所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个二向色镜a5，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钾金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到240℃，碱金属样品池7内部的钾金属在240℃下的饱和蒸汽压为4.0×10

泵浦光源a2输出激光波长为776.7nm，对应钾金属的D

泵浦光源a2输出776.7nm激光将位于基态(4

实施例4

四波混频所涉及能级示意图详见附图1所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图6所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个偏振分束立方体4，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钾金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到240℃，碱金属样品池7内部的钾金属在240℃下的饱和蒸汽压为4.0×10

泵浦光源a2输出激光波长为776.7nm，对应钾金属的D

泵浦光源a2输出776.7nm激光将位于基态(4

实施例5

四波混频所涉及能级示意图详见附图2所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图6所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个偏振分束立方体4，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铷金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到210℃，碱金属样品池7内部的铷金属在210℃下的饱和蒸汽压为6.8×10

泵浦光源a2输出激光波长为780.2nm，对应铷金属的D

泵浦光源a2输出780.2nm激光将位于基态(5

实施例6

四波混频所涉及能级示意图详见附图1所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图5所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个二向色镜a5，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铷金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到210℃，碱金属样品池7内部的铷金属在210℃下的饱和蒸汽压为6.8×10

泵浦光源a2输出激光波长为780.2nm，对应铷金属的D

泵浦光源a2输出780.2nm激光将位于基态(5

实施例7

四波混频所涉及能级示意图详见附图1所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图6所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个偏振分束立方体4，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铯金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到200℃，碱金属样品池7内部的铯金属在200℃下的饱和蒸汽压为8.9×10

泵浦光源a2输出激光波长为852.3nm，对应铯金属的D

泵浦光源a2输出852.3nm激光将位于基态(6

实施例8

四波混频所涉及能级示意图详见附图2所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图5所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源a2，一个泵浦光源b3，一个二向色镜a5，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铯金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到200℃，碱金属样品池7内部的铯金属在200℃下的饱和蒸汽压为8.9×10

泵浦光源a2输出激光波长为852.3nm，对应铯金属的D

泵浦光源a2输出852.3nm激光将位于基态(6

实施例9

四波混频所涉及能级示意图详见附图3所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钠金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到300℃，碱金属样品池7内部的钠金属在300℃下的饱和蒸汽压为1.6×10

泵浦光源b3输出激光波长为498.9nm，太赫兹天线1接收到的1.4THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许245～255nm波段透过；

泵浦光源b3输出498.9nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(3

实施例10

四波混频所涉及能级示意图详见附图4所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钠金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到300℃，碱金属样品池7内部的钠金属在300℃下的饱和蒸汽压为1.6×10

泵浦光源b3输出激光波长为496.6nm，太赫兹天线1接收到的8.8THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许240～250nm波段透过；

泵浦光源b3输出496.6nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(3

实施例11

四波混频所涉及能级示意图详见附图4所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钾金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到240℃，碱金属样品池7内部的钾金属在240℃下的饱和蒸汽压为4.0×10

泵浦光源b3输出激光波长为590.5nm，太赫兹天线1接收到的3.0THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许290～300nm波段透过；

泵浦光源b3输出590.5nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(4

实施例12

四波混频所涉及能级示意图详见附图3所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有钾金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到240℃，碱金属样品池7内部的钾金属在240℃下的饱和蒸汽压为4.0×10

泵浦光源b3输出激光波长为579.6nm，太赫兹天线1接收到的7.2THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许285～295nm波段透过；

泵浦光源b3输出579.6nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(4

实施例13

四波混频所涉及能级示意图详见附图3所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铷金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到210℃，碱金属样品池7内部的铷金属在210℃下的饱和蒸汽压为6.8×10

泵浦光源b3输出激光波长为615.1nm，太赫兹天线1接收到的4.6THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许300～310nm波段透过；

泵浦光源b3输出615.1nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(5

实施例14

四波混频所涉及能级示意图详见附图4所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铷金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到210℃，碱金属样品池7内部的铷金属在210℃下的饱和蒸汽压为6.8×10

泵浦光源b3输出激光波长为610.5nm，太赫兹天线1接收到的9.4THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许300～310nm波段透过；

泵浦光源b3输出610.5nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(5

实施例15

四波混频所涉及能级示意图详见附图4所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铯金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到200℃，碱金属样品池7内部的铯金属在200℃下的饱和蒸汽压为8.9×10

泵浦光源b3输出激光波长为640.4nm，太赫兹天线1接收到的0.2THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许315～325nm波段透过；

泵浦光源b3输出640.4nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(6

实施例16

四波混频所涉及能级示意图详见附图3所示。

本发明方法所涉及主要结构详见附图7所示，包括：一个太赫兹天线1，一个泵浦光源b3，一个二向色镜b6，一个碱金属样品池7，一个加热装置8，一个滤光镜9。

具体实施方式为：

碱金属样品池7内充装有铯金属，加热装置8对碱金属样品池7加热到200℃，碱金属样品池7内部的铯金属在200℃下的饱和蒸汽压为8.9×10

泵浦光源b3输出激光波长为654.0nm，太赫兹天线1接收到的6.5THz信号透过二向色镜b6，再与经过二向色镜b6反射的泵浦激光共同合束，泵浦光源b3输出激光、以及太赫兹天线1接收的太赫兹信号共线进入碱金属样品池7；碱金属样品池7两端的窗口外表面镀有200～700nm波段増透膜；二向色镜b6外表面镀有400～700nm波段高反膜；滤光镜9外表面镀的光学薄膜仅允许320～330nm波段透过；

泵浦光源b3输出654.0nm激光通过双光子吸收(2hν)将位于基态(6