CN101944990A - 基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信器件的技术领域。结构包括泵浦激光器(1)、波分复用光纤耦合器(2)、第一光纤耦合器(3)、锁模装置(9)、掺铒光纤(7)、偏振控制器(5)、隔离器(6)、第二光纤耦合器(4)、光探测器(10)、A/D转换电路(11)、单片机(15)、RS232接口(16)和光学延迟线(12)组成；光学延迟线(12)接收控制信号，进行延时反馈使整个系统处于混沌化状态；所述的锁模装置(9)，是石墨烯锁模装置。本发明不需要外界附加的调制源，可以产生飞秒级光脉冲，并具有易于同步、输出脉冲峰值功率高等特性，易于安装操作，结构简单，可实现全光纤集成，为实现混沌同步和保密通信创造基础。

Description

基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统

技术领域

本发明属于光通信器件的技术领域，特别涉及一种石墨烯锁模的具有延时反馈装置的光纤激光器的混沌化系统。

背景技术

通信技术的进步是国民经济发展的重要表现，目前普遍使用的通信传输技术其载波都是特定参数的正弦波或其它特定信号，任何公司和个人只要了解通信协议的规范都可以自己生产光纤通信设备，达到彼此通信的目的。但是在国家的国防建设中，许多信息的传输都涉及到国家的机密内容，这种不安全的传输方式使得信息很容易泄漏。非线性混沌同步理论的发展给我们提供了一种理想的保密通信的可能。混沌作为上个世纪后半段发现和研究的一个重要理论，最初没有发现有什么实际用途，但自从1990年美国科学家Pecora和Carroll发现混沌同步以来，混沌系统成为了一种最有潜力的保密通信的载体。目前世界各国都在研究电子通信系统的同步和混沌通信系统，但是由于其速度慢，现在许多学者都把研究重点放在了光纤激光器系统上。因此光纤激光器的混沌同步研究也越来越多。

随着近年来光通信技术的高速发展，光通信正在向高速度、大容量、宽带宽、长距离、低成本方向迅速发展。对于高速光时分复用(OTDM)通信系统，最核心的技术就是高重复频率超短光脉冲的产生技术，基于锁模技术的超高速掺铒光纤激光器是目前产生超短光脉冲的最主要方法。被动锁模技术是利用激光器谐振腔内器件的非线性光学效应实现锁模和超短光脉冲输出的一种方法。因为不需要外界附加的调制源，采用被动锁模技术的激光器避免了主动锁模激光器中由于引入电调制器而引起的调制带宽限制，可以产生更短的光脉冲(通常为飞秒级)，并且具有易于同步、输出脉冲峰值功率高等特性，且结构简单，是真正的全光器件，可以实现全光纤集成。因此，基于被动锁模光纤激光器的混沌同步系统更有发展前景和应用价值。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等研究人员制备出了石墨烯，石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，牢固坚硬，结构也非常稳定。石墨烯是一种密集蜂窝状晶格结构的二维碳原子单层，这种稳定的晶格结构使碳原子具有优良的导电性，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快(达到了光速的1/300)。虽然石墨烯最初的重要应用领域是关于石墨烯美妙的电子特性，但由于在光学应用中石墨烯薄片的加工条件相对宽松，因此石墨烯及其复合材料的光学应用可能出现在高端电子应用之前。例如可以利用它在高光强下的光损耗属性作为一种非线性光学材料应用在超高速掺铒光纤激光器系统中。对石墨烯的非线性光学特性进行更深入的研究，可以大大扩展石墨烯材料在光电子器件上的应用。

与本发明相近的现有技术是被动锁模光纤激光器系统，其结构如图1所示。图1中，1为泵浦激光器；2为波分复用光纤耦合器；3为光纤耦合器，5为偏振控制器；6为隔离器；7为掺铒光纤；8为单模光纤；9为锁模装置。实现被动锁模最常用的方法是在谐振腔内加入半导体饱和吸收体，目前被动锁模光纤激光器主要应用半导体饱和吸收镜(SESAMs)为锁模器件。然而，应用SESAMs可调范围很窄，而且需要很复杂的生产和包装过程。一种简单而且经济的替代方法是用单壁碳纳米管(SWCNTs)，其工作波长可以通过选择SWCNTs的半径来决定。但是，SWCNTs的小半径和大表面张力，使得损坏门限较低；作为饱和吸收体时不可避免的要对SWCNTs材料进行捆绑，催化，粘附无定形碳等，这些都可能导致饱和吸收作用损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术的可调范围很窄、损坏门限较低、有饱和吸收作用损失等缺欠，利用新型纳米材料石墨烯作为饱和吸收体，设计石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统，达到整个系统的混沌化，结构简单，易于安装和操作；产生超短光脉冲输出，易于同步、输出脉冲峰值功率高的目的。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统，结构包括泵浦激光器1和激光谐振腔；所述的激光谐振腔，是由单模光纤8顺次连接的波分复用光纤耦合器2、第一光纤耦合器3、锁模装置9、掺铒光纤7、偏振控制器5和隔离器6构成的激光通路；其中的第一光纤耦合器3将激光分为两路，一路继续在激光谐振腔内运行，另一路作为输出；其中的隔离器6使系统中的激光单向运行，并返回波分复用光纤耦合器2；在第一光纤耦合器3之后加装延时反馈装置；所述的延时反馈装置，由第二光纤耦合器4、光探测器10、A/D转换电路11、单片机15、RS232接口16和光学延迟线12组成，其中由第一光纤耦合器3输出的激光由第二光纤耦合器4分为两路，一路作为系统的输出，另一路经光探测器10将光电流值输入A/D转换电路11，单片机15接收A/D转换电路11的数字量进行计算处理，并产生控制信号；经RS232接口16使光学延迟线12接收控制信号，进行延时反馈使整个系统处于混沌化状态；所述的光学延迟线12一端连接第一光纤耦合器3的在激光谐振腔内运行的一路，另一端连接锁模装置9；所述的锁模装置9，是由石墨烯片13和两侧的光纤连接器14构成的石墨烯锁模装置。

所述的光学延迟线12，是单模光纤，长度为4000～6000米可调；所述的掺铒光纤7，长度为5～20米。

所述的第一光纤耦合器3的分光比例可以是0.5～2∶9.5～8，优选的分光比例为1∶9，即，继续在激光谐振腔内运行比例为1份，则另一部分作为激光输出的比例为9份；所述的第二光纤耦合器4的分光比例为2～4∶8～6，优选的分光比例为3∶7，即，进入延时反馈装置比例为3份，则另一部分作为系统的输出比例为7份。

近几年来，对新型材料石墨烯的研究发现，基于石墨烯的饱和吸收体有超短的恢复时间。另外，与SWCNTs的小半径和大表面张力不同，石墨烯由于其独一无二的二维结构，其表面张力为零或者很小，因此石墨烯拥有比SWCNTs更高的损坏门限。由于作为饱和吸收体时不可避免的要对SWCNTs材料进行捆绑，催化，粘附无定形碳等，这些都可能导致饱和吸收作用损失。对于石墨烯材料，这些缺陷是可以避免的，利用二维石墨烯薄片制作的石墨烯锁模器件紧贴在光纤连接器表面，散射要比捆绑SWCNTs少得多。因此，基于石墨烯锁模的超短光脉冲产生技术更有发展前景和应用价值。

本发明基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统，是利用新型纳米材料石墨烯作为饱和吸收体产生超短光脉冲的被动锁模光纤激光器系统，由于系统中加入延时反馈装置，此基于石墨烯锁模的光纤激光器系统是混沌化系统，本发明的混沌系统是一种最有很有潜力的保密通信的载体，在未来光纤保密通信的商业化的过程中具有很好的竞争力和发展前景。

本发明基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统有以下有益效果：

1、本发明采用被动锁模光纤激光器系统结构产生超短光脉冲输出，不需要外界附加的调制源，避免了主动锁模激光器中由于引入电调制器而引起的调制带宽限制，可以产生更短的光脉冲(通常为飞秒级)，并且具有易于同步、输出脉冲峰值功率高等特性，且结构简单，是真正的全光器件，可以实现全光纤集成。

2、本发明利用新型纳米材料石墨烯在高光强下的光损耗属性实现石墨烯锁模。将石墨烯材料作为饱和吸收体进行锁模产生超短锁模光脉冲，基于石墨烯的饱和吸收体有超短的恢复时间，可产生飞秒级超短脉冲。石墨烯其独一无二的二维结构，其表面张力为零或者很小，损坏门限高，而且利用二维石墨烯薄片制作的石墨烯锁模器件紧贴在光纤连接器表面易于安装。

3、本发明利用光探测器接受部分激光输出，并利用单片机反馈控制可调光纤延迟线实现整个系统的混沌化，结构简单，易于操作。且由于反馈混沌化装置是由单片机机控制的，因此可以精确控制系统的混沌状态，为实现混沌同步和保密通信创造基础。

附图说明：

图1是现有技术的被动锁模光纤激光器系统结构图。

图2是本发明基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统整个系统的结构图。

图3是本发明基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统中的石墨烯锁模装置结构图。

具体实施方式：

实施例1

本发明基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统结构如图2所示。图2中，1为泵浦激光器，可以使用美国IPG PHOTONICS CORPORATION公司生产的1480nm拉曼光纤激光器，输出功率为1W；2为波分复用光纤耦合器，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的熔融拉锥型1480/1550nm泵浦光波分复用耦合器；3为第一光纤耦合器，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的1×2标准单模光纤耦合器，分光比为1∶9；4为第二光纤耦合器，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的1×2标准单模光纤耦合器，分光比为3∶7；5为偏振控制器，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的三环型机械式光纤偏振控制器；6为隔离器，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的1480nm偏振无关光隔离器；7为掺铒光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能1480nm泵浦的C-Band掺铒光纤；8为单模光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤；9为锁模装置，具体结构如图2所示；10为光探测器，可采用尾纤型YSPD715；11为A/D转换电路，可采用通用A/D转换芯片MAX197；12为光学延迟线，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的电动可调光纤延迟线；15为单片机，可采用STC89C51单片机；16为RS232接口，可采用串口驱动芯片MAX232。

其中，1480nm泵浦激光器1作为整个系统的激光泵浦源，1480nm泵浦激光器1通过波分复用光纤耦合器2耦合入整个系统；分光比例为1∶9的第一光纤耦合器3用于将腔内运行激光分为两部分，一部分作为激光输出比例为9，另一部分继续在激光谐振腔内运行比例为1；分光比例为3∶7的第二光纤耦合器4用于将第一光纤耦合器3输出的激光分为两部分，一部分作为整个系统的激光输出比例为7，另一部分进入延时反馈部分比例为3；偏振控制器5用于控制整个系统的偏振态；隔离器6用于保证整个系统光的单向运行；掺铒光纤7在系统中产生增益作用，保证谐振腔内运行激光的能量不衰减，其长度应≥5.0米，也不必过长造成浪费；单模光纤8是整个系统中的各部分连接的光纤总长，可以为100米；石墨烯锁模装置9是将石墨烯片制作成饱和吸收体，用于锁模超短脉冲的产生；光探测器10用于探测第二光纤耦合器4比例为3的激光，并将之转化为光电流用于后续反馈延时；A/D转换电路11的作用是接收光探测器10的光电流值，并将光电流值模拟量转换为数字量，使之适合后续控制；单片机15接收A/D转换电路11的数字量进行计算处理，并产生控制信号；RS232接口16是连接单片机15和光学延迟线12的接口电路，光学延迟线12接收RS232接口16传过来的单片机15的控制信号，相应的调节光纤延迟线长度，进行延时反馈控制，使整个系统处于混沌化状态。

实施例2

图3给出本发明的石墨烯锁模装置9的结构。图3中，13为石墨烯片；14为FC/PC光纤连接器，可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的标准FC/PC光纤连接器。

石墨烯锁模装置9包括石墨烯片13和石墨烯薄片13两边的FC/PC光纤连接器14，石墨烯片13与FC/PC光纤连接器14共同构成石墨烯锁模装置9用于产生锁模超短光脉冲。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统，结构包括泵浦激光器(1)和激光谐振腔；所述的激光谐振腔，是由单模光纤(8)顺次连接的波分复用光纤耦合器(2)、第一光纤耦合器(3)、锁模装置(9)、掺铒光纤(7)、偏振控制器(5)和隔离器(6)构成的激光通路；其中的第一光纤耦合器(3)将激光分为两路，一路继续在激光谐振腔内运行，另一路作为输出；其中的隔离器(6)使系统中的激光单向运行，并返回波分复用光纤耦合器(2)；其特征在于，在第一光纤耦合器(3)之后加装延时反馈装置；所述的延时反馈装置，由第二光纤耦合器(4)、光探测器(10)、A/D转换电路(11)、单片机(15)、RS232接口(16)和光学延迟线(12)组成，其中由第一光纤耦合器(3)输出的激光由第二光纤耦合器(4)分为两路，一路作为系统的输出，另一路经光探测器(10)将光电流值输入A/D转换电路(11)，单片机(15)接收A/D转换电路(11)的数字量进行计算处理，并产生控制信号；经RS232接口(16)使光学延迟线(12)接收控制信号，进行延时反馈使整个系统处于混沌化状态；所述的光学延迟线(12)一端连接第一光纤耦合器(3)的在激光谐振腔内运行的一路，另一端连接锁模装置(9)；所述的锁模装置(9)，是由石墨烯片(13)和两侧的光纤连接器(14)构成的石墨烯锁模装置。

2.按照权利要求1所述的基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统，其特征在于，所述的光学延迟线(12)，是单模光纤，长度为4000～6000米可调；所述的掺铒光纤(7)，长度为5～20米。

3.按照权利要求1或2所述的基于石墨烯的被动锁模光纤激光器延时反馈混沌化系统，其特征在于，所述的第一光纤耦合器(3)的分光比例为1∶9，即一部分作为激光输出的比例为9份，另一部分继续在激光谐振腔内运行的比例为1份；所述的第二光纤耦合器(4)的分光比例为3∶7，即一部分作为系统的输出的比例为7份，一部分进入延时反馈装置的比例为3份。

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