CN101557261A - 一种可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，该装置包括短脉冲激光器、半导体光放大器、光学频谱分量信号选择器和光学反馈回路；短脉冲激光器接入半导体光放大器；半导体光放大器接入光学频谱分量信号选择器；光学频谱分量信号选择器通过光学反馈回路接入半导体光放大器。本发明提供了一种能够根据实际需要灵活地对输出光脉冲信号的中心波长进行宽范围连续调节、能够对光脉冲信号的输出脉冲宽度进行调节，同时还能实现对光脉冲信号波形的整形处理的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置。

Description

一种可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置。

背景技术

波长可调节的超短脉冲激光器是实现超高速、大容量全光通信系统与网络的一种关键技术。它在波长分割复用(WDM)、光时间分割复用(OTDM)、WDM/OTDM混合复用系统以及超高速全光信号处理方面都有着非常重要的应用价值。目前高速光通信或光信号处理领域所采用的超短脉冲激光器按照其结构和材料可以大致分为两种类型：一种是基于掺稀土材料光纤结构的光纤激光器；另一种是半导体激光器。锁模光纤激光器输出的脉冲序列虽然具有一定的波长调节范围，但是其工作稳定性差，并且在调节其工作波长的过程中，由于对激光器的腔长有影响，这就容易造成锁模光纤激光器的失锁，引起激光器工作性能恶化，甚至停止工作；对于半导体激光器来讲，其工作性能较为稳定，但是其波长可调范围一般都很有限，无法满足通信系统应用的多波长可调输出的要求，这将会限制其应用范围。

随着超快光学的发展，特别是高速光通信系统的普及应用，需要对光脉冲信号的形状和脉冲宽度等特性进行精确的控制和调节，以满足各种应用情况的要求。而目前所使用的脉冲激光器的输出光脉冲信号波形，一般都具有固定的脉冲宽度和形状，无法根据实际系统要求需要进行调节。这就需要对脉冲激光器的输出光信号波形进行相应的脉冲宽度调节或/和信号波形整形处理。

特别是近年来，随着长途高速光纤通信系统的大量使用，波长可调谐、脉冲宽度可变的脉冲激光器的重要作用已显得越来越显著了。例如，长途WDM系统可以通过在发射端使用有效的可调脉冲宽度管理方式，实现其传输性能的优化，并显著增加传输距离。另外，在光纤通信网络中采用可调脉冲宽度管理方式还能有助于系统的升级换代，有效降低系统的维修和运行成本。

而目前的脉冲激光产生技术不能满足多种的光脉冲波形、光信号传输速率与传输格式的要求，从而限制了这类超短脉冲激光器的实际应用范围，尤其是在迅速发展的高速大容量光通信领域，因此很有必要提供一种针对脉冲激光器输出的周期性光脉冲序列进行光信号的波形与波长变换的装置。

发明内容

本发明为了解决背景技术中存在的技术问题，而提供了一种能够根据实际需要灵活地对输出光脉冲信号的中心波长进行宽范围连续调节、能够对光脉冲信号的输出脉冲宽度进行调节，同时还能实现对光脉冲信号波形的整形处理的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特殊之处在于：所述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置包括短脉冲激光器、半导体光放大器、光学频谱分量信号选择器和光学反馈回路；短脉冲激光器接入半导体光放大器；半导体光放大器接入光学频谱分量信号选择器；光学频谱分量信号选择器通过光学反馈回路接入半导体光放大器。

上述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置还包括第一光纤耦合器，短脉冲激光器通过第一光纤耦合器接入半导体光放大器。

上述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置还包括第一光隔离器，光纤耦合器通过第一光隔离器接入半导体光放大器。

上述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置还包括第二光隔离器，所述半导体光放大器通过第二光隔离器接入光学频谱分量信号选择器。

上述光学频谱分量信号选择器包括第一光带通滤波器、掺铒光纤放大器和第二光纤耦合器，光带通滤波器接入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器通过第二光纤耦合器接入光学反馈回路。

上述光学频谱分量信号选择器还包括第二光带通滤波器，所述掺铒光纤放大器通过第二光带通滤波器接入第二光纤耦合器。

上述光学反馈回路为可调光延迟线。

本发明具有以下优点：

1、能够灵活地对输出光脉冲信号的中心波长进行调节。本发明将重复频率为f_s的周期性光脉冲序列输入到半导体光放大器(SOA)中，对其增益介质产生调制。在此影响下，半导体光放大器的宽光谱自发辐射噪声信号也被调制。然后利用一个光学频谱分量信号选择器对经过调制后的自发辐射噪声信号进行滤波处理，挑选出所需波长λ_out的光谱分量，再通过一个光学反馈回路将它注入到半导体光放大器中。该反馈信号进入到半导体光放大器之后将会被再次放大增强，以补偿系统反馈回路损耗和脉冲输出所造成的衰减。通过精确调节光延迟线的延迟，使得输入光脉冲序列的重复频率为所形成环形回路自身振荡频率周期的整数倍，反馈信号和内部的调制光信号相互作用，形成类似环型腔锁模激光器的振荡模式，从而在半导体光放大器的输出端获得重复频率为f_s、中心波长为λ_out的稳定的光脉冲序列，并且被转换后的光信号中心波长λ_out数值是可以根据需要由光学频谱分量信号选择器在SOA自发辐射噪声的宽光谱范围内进行灵活设定的。

2、可以对输出光脉冲信号的脉冲波形进行整形处理。本发明通过精密调节光延迟线，改变整个装置的腔长，从而改变反馈信号与原始外部注入光脉冲周期性信号之间的不同的时间延迟，可以获得不同形状的输出光脉冲序列，包括超短脉冲输出和方波脉冲输出。通过调节精密光延迟线可以实现不同脉冲波形输出的在线转换。

3、可对光脉冲信号脉冲光/方波的脉冲宽度进行调节。本发明还可以通过改变半导体光放大器的注入电流值达到对自发辐射噪声信号的强度以及半导体光放大器的增益进行调节的目的，能影响输出端经过了转换后的光信号的脉冲宽度或者方波脉冲的占空比。同时，外部脉冲信号的输入功率也能影响输出光脉冲或方波脉冲的脉冲宽度。通过综合调节半导体光放大器的注入电流和外部脉冲信号的注入功率，可以获得在较宽范围内光脉冲或方波脉冲的脉冲宽度调节。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明调节滤波器的中心波长得到的不同转换波长的脉冲序列图；

图4为本发明在半导体光放大器4的不同注入电流下方波脉冲输出图；

图5为方波脉冲脉冲宽度随外部注入脉冲功率的变化关系图。

具体实施方式

参见图1，本发明包括短脉冲激光器1、半导体光放大器4(SOA)、光学频谱分量信号选择器11和光学反馈回路10；短脉冲激光器1接入半导体光放大器4；半导体光放大器4接入光学频谱分量信号选择器11；光学频谱分量信号选择器11通过光学反馈回路10接入半导体光放大器4，短脉冲激光器1负责产生重复频率为f_s的周期性光脉冲序列，并将该周期性光脉冲序列传送于半导体光放大器4；半导体光放大器4对重复频率为f_s的周期性光脉冲序列的增益介质产生调制，并传送于光学频谱分量信号选择器11；光学频谱分量信号选择器11对经过调制后的自发辐射噪声信号进行滤波处理，挑选出所需波长λ_out的光谱分量，再通过一个光学反馈回路10将它注入到半导体光放大器4中。

参见图2，本发明具体实施例的结构包括依次顺序接入的短脉冲激光器1、第一光纤耦合器2、第一光隔离器3、半导体光放大器4(SOA)、第二光隔离器5、第一光带通滤波器6、掺铒光纤放大器7、第一光带通滤波器8和第二光纤耦合器9，第二光纤耦合器9通过光学反馈回路10接入半导体光放大器4。其中第一光带通滤波器6、掺铒光纤放大器7、第一光带通滤波器8和第二光纤耦合器9构成光学频谱分量信号选择器11。光学反馈回路10具体可采用高精度可调光延迟线，通过精确调节高精度可调光延迟线10的延迟长度，以调节反馈信号中与输入脉冲的相对延时时间，从而可以在变换信号的输出端获取方波或者超短脉冲变换光输出，改变半导体光放大器4的注入电流(改变增益)或者改变外部输入信号的输入功率，可以调节输出脉冲的脉冲宽度。为了减少系统反向的反射信号对整个变换器稳定性及其变换性能的影响，本发明在半导体光放大器4的两侧分别加了增加了一只光隔离器，即第一光隔离器3和第二光隔离器5，以确保在腔内光沿要求方向进行传输。

本发明的短脉冲激光器1具体可采用一个重复频率为10GHz，脉冲宽度为1.5ps的半导体主动锁模激光器产生的锁模激光脉冲作为本发明的外部输入信号。本发明不局限于该种激光器，实验验证其它脉冲宽度的同重复频率的激光脉冲可以作为本发明的外部输出信号，可以达到同样的效果。通过综合调节该变换器，可以实现对该输入脉冲的波长变换、脉宽调节及波形整形等处理，该输入脉冲序列的中心波长位于1551nm，3dB光谱宽度为约2nm。将该锁模脉冲光序列通过一个分光比为50∶50、3dB的第一光纤耦合器2的一个输入端口，输入到本发明的装置中。该光脉冲经过第一光隔离器3，然后进入到半导体光放大器4(CIP公司)中。由于半导体光放大器4中存在交叉增益调制、交叉相位调制和交叉增益饱和效应等非线性现象，输入的超短激光脉冲会对半导体光放大器4的增益介质进行调制，改变其增益大小及增益介质的折射率，从而对其自发辐射噪声谱也产生时域调制。半导体光放大器4的输出光(包括放大的原输入光和半导体光放大器4的自发辐射噪声信号)在经过第二光隔离器5之后，被一个3dB带宽为1.4nm的第一光带通滤波器6滤出滤波器的中心波长对应的一部分噪声分量，选择部分受到信号调制的自发辐射信号，并阻挡输入的信号光。第一光带通滤波器6的其中心波长可以在1530～1570nm范围内连续可调。滤波器的带宽限定了该系统的带宽。其带宽对转换脉冲的上升沿、下降沿以及直接输入脉冲的宽度有影响。由于滤波器的插损较大，需要利用掺铒光纤放大器(EDFA)7将其输出信号进行放大，以补偿滤波器所带来的额外的功率损失。同时为了消除掺铒光纤放大器7所加入的自发辐射噪声，利用第二光带通滤波器8，消除部分噪声信号，增加信号的信噪比，获得更好的信号质量。其输出信号，利用第二光纤耦合器9取出其中的一部分光能量作为本发明装置的输出；另一部分，通过一个高精度可调光延迟线10反馈回半导体光放大器4的输入端，形成反馈回路。该高精度可调光延迟线10的作用是精确的控制腔长，从而可以使外部注入脉冲的重复频率与所形成反馈腔长度做决定的基频的倍数相等，从而可以实现稳定的变换输出脉冲。通过精确的调节延时大小，使反馈信号与输入的脉冲具有特定的时间关系，从而可以实现方波脉冲输出或者波长变换输出。

参见图3，本发明通过调节第一光带通滤波器6和第二光带通滤波器8的中心波长，可以获得在其调节范围内的任意波长脉冲的连续调节，图3a为滤波器中心波长1530nm时的脉冲序列图，图3b为滤波器中心波长1540nm时的脉冲序列图，图3c为滤波器中心波长1550nm时的脉冲序列图，图3d为滤波器中心波长1560nm时的脉冲序列图。

改善滤波器的滤波性能，可以提高本发明的变换效果。例如增加滤波器的滤波带宽，可以对具有更短上升时间的脉冲光的波长变换。通过增加滤波器的波长可调宽度，可以增加转换器的转换带宽长度。

参见图4，在将脉冲转换到任意波长时，通过改变外部注入脉冲的功率或者调节半导体光放大器4的注入电流大小，可以实现对输出脉冲宽度的调节。在将脉冲转换到任意波长时，通过精确的调节高精度可调光延迟线10的延迟时间，可以得到方波或者脉冲的输出，图4给出了滤波器中心波长为1532nm情况下，反馈为1mW，调节光延时线的延迟时间，所得到方波输出。调节SOA注入的电流，得到的可调占空比方波脉冲输出。图4a为SOA的注入电流为75mA时，输出脉冲宽度为44.91ps，图4b为SOA的注入电流为130mA时，输出脉冲宽度为63.56ps，图4c为SOA的注入电流为160mA时，输出脉冲宽度为70.03ps，，图4d为SOA的注入电流为300mA时，输出脉冲宽度为78.65ps。

参见图5，通过调节电流，可以实现占空比可调的方波序列连续调节输出。另外，改变输入信号的功率也可以调节输出方波序列的脉冲宽度。通过综合调节外部注入光功率已经SOA的注入电流，可以获得得到最小占空比为26％，最大占空比为79％的方波转换输出。

Claims (7)

1、一种可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置包括短脉冲激光器、半导体光放大器、光学频谱分量信号选择器和光学反馈回路；所述短脉冲激光器接入半导体光放大器；所述半导体光放大器接入光学频谱分量信号选择器；所述光学频谱分量信号选择器通过光学反馈回路接入半导体光放大器。

2、根据权利要求1所述的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置还包括第一光纤耦合器，所述短脉冲激光器通过第一光纤耦合器接入半导体光放大器。

3、根据权利要求2所述的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置还包括第一光隔离器，所述光纤耦合器通过第一光隔离器接入半导体光放大器。

4、根据权利要求3所述的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置还包括第二光隔离器，所述半导体光放大器通过第二光隔离器接入光学频谱分量信号选择器。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述光学频谱分量信号选择器包括第一光带通滤波器、掺铒光纤放大器和第二光纤耦合器，所述光带通滤波器接入掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器通过第二光纤耦合器接入光学反馈回路。

6、根据权利要求5所述的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述光学频谱分量信号选择器还包括第二光带通滤波器，所述掺铒光纤放大器通过第二光带通滤波器接入第二光纤耦合器。

7、根据权利要求1所述的可对周期性光脉冲波形整形与波长变换的装置，其特征在于：所述光学反馈回路为可调光延迟线。

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