CN102116992B

CN102116992B - 基于光纤Bragg光栅阵列的全光任意波形产生装置及产生方法

Info

Publication number: CN102116992B
Application number: CN 201010568999
Authority: CN
Inventors: 张爱玲; 孙辉
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102116992A

Abstract

基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置及产生方法。所述装置由相干光源和控制部分构成，控制部分由环形器和光纤Bragg光栅阵列(由一组光纤Bragg光栅及偏振控制器和光纤拉伸器串接而成)构成。方法包括：将相干光源由控制部分的输入端输入；调节所述控制部分中光纤Bragg光栅阵列的反射波长对相干光源的波长进行选择，调整光纤Bragg光栅阵列的反射率对相干光源的幅度进行控制，调节光纤拉伸器对相干光源的相位进行控制；根据傅里叶变换原理，在时域上获得所设计全光任意波形，由控制部分的输出端输出。通过在频域上对相干光源的波长、幅度及相位进行调节，在时域上获得全光任意波形的输出，是一种结构简单，易于实现的脉冲波形产生装置及方法。

Description

基于光纤Bragg光栅阵列的全光任意波形产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及全光任意波形的产生装置，特别是基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形的产生装置及工作原理。

背景技术

近年来，全光任意波形产生作为一项非常新颖的技术，在很多方面得到广泛的应用。如在光码分多址系统的编码过程中，利用全光任意波形产生技术对脉冲频域的幅度，相位进行控制，可以得到低强度、类似噪声的编码信号；另外全光任意波形产生技术的原理还可推广到微波光子滤波器中，通过对相位的控制实现对微波信号的滤波。

到目前为止，已经有多种方法用来实现全光任意波形产生。原理上一般是对信号频谱进行整形处理，通过选取特定波长及对该波长光波的幅度、相位进行控制得到任意波形。早期由于脉冲整形设备分辨率的原因，人们对锁模激光器产生的梳状谱进行整形时，采用的方法是组谱线的处理方式：将谱线分成几组，每组由N(≥2)根谱线组成，然后控制组谱线的幅度和相位。这种方法对光梳频率的绝对位置不敏感导致产生的时域波形不精确且占空比低。随着技术的发展整形设备的分辨率已达到了要求，可以实现谱线“逐行”处理，即对每一根谱线(N＝1)的幅度和相位分别进行控制，按照傅里叶变换原则可以得到我们所需求的脉冲信号。当前大部分实验研究工作都是基于光谱的“逐行”整形的方法来产生任意脉冲信号，如利用衍射光栅在空间域分离光脉冲的波长成分，然后用空间光幅度和相位调制器对其调制，得到所需求的输出脉冲信号，但其结构比较复杂，损耗也较大；利用取样光纤光栅技术对光脉冲的波长成分进行选取，同时改变幅度和相位可以得到某一特定波形的输出，但不能得到任意光脉冲的输出；也可以利用分接延迟线滤波器实现全光任意波形产生，缺点在于受到抽头数和抽头处相位波动的影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置及产生方法。本发明使用相干光源作为初始的输入光源，利用光纤Bragg光栅阵列以及光栅之间的光纤拉伸器作为对输入相干光源的波长、幅度、相位的控制部分，通过对相干光源的频谱整形得到全光任意波形的输出，是一种结构简单，易于实现的脉冲波形产生装置。

本发明提供的基于光纤Bragg光栅阵列的全光任意波形产生装置，由相干光源和控制部分构成(见图1)，相干光源与控制部分直接相连，利用相干光源作为输入光源，利用控制部分对相干光源的波长、幅度及相位进行控制，由控制部分的输出端输出全光任意波形。

所述的相干光源是指具有不同波长成分的相干光源，由以下方式之一获得：

方式一：利用光纤中的四波混频产生梳状谱的相干光源；

方式二：利用电光调制器对单波长光源进行调制产生梳状谱线的相干光源；

方式三：利用梳状滤波器对超连续谱光源滤波获得梳状谱线的相干光源。

所述的控制部分由环形器和光纤Bragg光栅阵列构成(见图2)；光纤Bragg光栅阵列由一组反射波长不同的光纤Bragg光栅串接而成，相邻两光栅之间各串接一个偏振控制器(PC)和一个光纤拉伸器(FS)；相干光源由环形器的第一端口进入控制部分，环形器的第二端口与光纤Bragg光栅阵列相连，产生的全光任意波形由环形器的第三端口输出；所述的控制部分对输入相干光源的波长、幅度、相位进行控制；相干光源波长的控制由光纤Bragg光栅中心波长的选择性反射来实现，幅度的控制由光纤Bragg光栅的反射率来实现，相位的控制由光栅之间的光纤拉伸器来控制；所述的偏振控制器的作用是控制不同波长光波的偏振状态。

本发明同时提供了一种基于以上所述装置的全光任意波形的产生方法，该方法包括以下步骤：

第1、首先将相干光源由图2所示装置中控制部分的输入端输入；

第2、调节所述控制部分中的光纤Bragg光栅阵列的反射波长，使光纤Bragg光栅阵列中各光纤Bragg光栅的中心波长等间距，从相干光源中选择出波长间距相等的谱线，调整光纤Bragg光栅阵列的反射率对所选择出的谱线幅度进行控制，将谱线的幅度调整到与输出波形相应波长的幅度成正比。调节光纤拉伸器改变光通过光纤拉伸器的光程，将所选择出谱线之间的相位差调节至与输出波形相应谱线之间的相位差相同。

第3、第2步中所述的波长、幅度、相位差的取值由输出波形形状决定，它们与输出波形满足傅里叶变换。通过调节以上所述的波长、幅度、相位差，在控制部分的输出端可以获得全光任意波形。

以上第1步中所述的相干光源可以是谱线等间距的梳状相干光源，也可以是谱线连续的超连续谱相干光源；相干光源中不同波长的幅度可以相等，也可以不相等；相干光源不同波长的相位可以相等，也可以不等。

第2步中所述的光纤Bragg光栅阵列中每个光纤Bragg光栅具有不同的中心波长。

第2步中对相干光源波长的选择可以有两种方法：

方法一：相干光源为等间距的梳状谱光源时，通过调节Bragg光栅阵列的反射波长，使得Bragg光栅阵列的中心波长与相干光源的波长相等，获得波长间隔相等的相干谱线；

方法二：相干光源为超连续谱相干光源时，通过调节Bragg光栅阵列的反射波长，使各Bragg光栅的中心波长等间隔，从频带范围很宽的的超连续谱光源中获得的波长间隔相等的相干谱线。

第2步中对相干光源幅度的控制由初始相干光源的幅度与光纤Bragg光栅阵列的反射率共同决定，每个Bragg光栅具有不同的反射率，导致与其中心波长对应的光波反射幅度不同。

第2步中对相干光源相位的控制由初始相干光源的相位与光纤拉伸器的相位延迟共同决定；与光纤拉伸器相邻的两个Bragg光栅对应的中心波长分别为λ₁和λ₂，光纤拉伸器调节的是波长为λ₁和λ₂的光波的相对相位关系。

本发明的优点和积极效果：

本发明基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源。其中光纤Bragg光栅的一个显著特点是具有窄带滤波特性。光波是否被光纤Bragg光栅反射取决于光波的波长相对于该光栅中心波长的位置。如果光波的波长与光栅的中心波长重合，光波会被反射；反之光波会通过光栅。利用光栅的这一特性可以获得所需求的反射幅度，即实现了对光波幅度的控制。另外通过光栅之间的光纤拉伸器可实现相位的控制。其次在光源方面选择相干光源，这样可以保证光波相位的稳定性要求。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置的框图。

图2为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置中控制器的结构示意图。4为环形器，5为光纤Bragg光栅阵列。

图3为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置实施例1的结构图。6、7为激光器，波长分别为1550nm和1549.6nm；8为3dB耦合器；9为非线性光纤。

图4为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置实施例2的结构示意图。

图5为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置实施例3的结构示意图。

图6、图7为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置实施例1的工作效果图，即产生的重复频率为50GHz的高斯脉冲序列。

图8为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置实施例2的工作效果图，即产生的重复频率为10GHz的三角脉冲脉冲序列。

图9为本发明所涉及的基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形产生装置实施例3的工作效果图，即产生的重复频率为50GHz的矩形脉冲序列。

具体实施方式

本发明基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源产生全光任意波形。它以相干光源作为初始的输入光源，以光纤Bragg光栅以及光纤拉伸器构成对输入相干光源的波长、幅度、相位的控制部分，通过对相干光源的频谱整形得到全光任意波形的输出。

如图1所示，本发明所述的基于光纤Bragg光栅阵列的全光任意波形产生装置，由相干光源和控制部分构成，相干光源与控制部分直接相连，利用相干光源作为输入光源，利用控制部分对相干光源进行频谱逐行整形，由控制部分的输出端输出全光任意波形。

所述的控制部分由环形器和光纤Bragg光栅阵列构成(见图2)；光纤Bragg光栅阵列由一组反射波长不同的光纤Bragg光栅串接而成，相邻两光栅之间各串接一个偏振控制器(PC)和一个光纤拉伸器(FS)；相干光源由环形器的第一端口1进入控制部分，环形器的第二端口2与控制部分主体光纤Bragg光栅阵列相连，产生的全光任意波形由第三端口3输出。本发明提供的具体结构及实例如下。

实施例1

参阅图3，采用耦合器耦合两个不同波长的激光器，然后利用光纤中的非线性效应获得四波混频的相干光源，选择激光器的频率间隔为50GHz对应波长间隔Δλ₁为0.4nm。获得的四波混频相干光源进入控制部分完成相干光源的频谱整形，由环形器3端口输出任意光脉冲。采用光栅Bragg光栅阵列的中心波长依次为1549.2nm、1549.6nm、1550nm、1550.4nm、1550.8nm；控制光栅之间的光纤拉伸器产生π/2的相位延迟，则光栅中心波长所对应的光波之间的相位差均为π。在环形器3端口可以获得重复频率为50GHz的光脉冲序列。若选择光栅阵列的反射率依次为15％、25％、95％、38％、10％时，输出的光脉冲序列如图6所示；若选择光栅阵列的反射率依次为15％、25％、95％、48％、10％；输出的光脉冲序列如图7所示。

实施例2

参阅图4，利用电光调制器对中心波长为1550nm的连续波激光器进行调制。采用调制器的调制频率为10GHz，则对应的光栅阵列的波长间隔Δλ₂为0.08nm。选取光纤Bragg光栅阵列的中心波长依次为1549.84nm、1549.92nm、1550nm、1550.08nm、1550.16nm；对应光栅反射率依次为7％、25％、95％、80％、10％；调节光栅之间的光纤拉伸器产生的相位延迟依次为π、π、π、π/2。则在环形器3端口获得重复频率为10GHz的三角波脉冲序列，如图8所示。

实施例3

参阅图5，超连续谱光源包含了丰富的频率成分，可以自由的选择光纤Bragg阵列中各光栅的中心波长并确定其波长间隔。采用的光栅Bragg光栅阵列的波长间隔Δλ₃为0.4nm，光栅阵列的中心波长依次为1549.2nm、1549.6nm、1550nm、1550.4nm、1550.8nm；对应光栅反射率依次为7％、49.5％、95％、60％、31％；调节光栅之间的光纤拉伸器产生的相位延迟依次为π、π、π、π/2。在环形器3端口获得重复频率为50GHz的矩形脉冲序列，如图9所示。

综合上述三个实施例，如实施例1中选择不同的反射率，可以改善输出脉冲波形的效果；如实施例1、实施例2中选择不同的波长相位输出的脉冲波形是不同的；如实施例2、实施例3选择不同的光栅中心波长间隔所产生的脉冲波形的重复频率是不同的。

总结，本方案利用光纤Bragg光栅的滤波特性和相干光源频率的稳定性，实现了基于光纤Bragg光栅阵列和相干光源的全光任意波形的产生装置及工作方法，且结构简单、成本低，易于推广。

Claims

1.一种基于光纤Bragg光栅阵列的全光任意波形产生装置，其特征在于该装置由相干光源和控制部分构成，相干光源与控制部分直接相连，利用相干光源作为输入光源，利用控制部分对相干光源的波长、幅度及相位进行控制，由控制部分的输出端输出全光任意波形；

所述的控制部分由环形器和光纤Bragg光栅阵列构成，环形器的第二端口与光纤Bragg光栅阵列相连；光纤Bragg光栅阵列由一组反射波长不同的光纤Bragg光栅串接而成，相邻两光栅之间各串接一个偏振控制器（PC）和一个光纤拉伸器（FS）；相干光源由环形器的第一端口进入控制部分，产生的全光任意波形由环形器第三端口输出；所述的控制部分对输入相干光源的波长、幅度、相位进行控制；相干光源波长的控制由光纤Bragg光栅中心波长选择性反射来实现，幅度的控制由光纤Bragg光栅的反射率来实现，相位的控制由光栅之间的光纤拉伸器来控制；所述的偏振控制器的作用是控制不同波长光波的偏振状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的相干光源是指具有不同波长成分的相干光源。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的相干光源由以下方式之一获得：

方式一：利用光纤中的四波混频产生梳状谱的相干光源；

4.一种基于权利要求1所述装置的全光任意波形的产生方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第1、首先将相干光源由权利要求1所述装置中控制部分的输入端输入；

第2、调节所述控制部分中的光纤Bragg光栅阵列的反射波长，使光纤Bragg光栅阵列中各光纤Bragg光栅的中心波长等间距，从相干光源中选择出波长间距相等的谱线，调整光纤Bragg光栅阵列的反射率对所选择出的谱线幅度进行控制，将谱线的幅度调整到与输出波形相应波长的幅度成正比；调节光纤拉伸器改变光通过光纤拉伸器的光程，将所选择出谱线之间的相位差调节至与输出波形相应谱线之间的相位差相同；

第3、第2步中所述的波长、幅度、相位差的取值由输出波形形状决定，它们与输出波形满足傅里叶变换；通过调节以上所述的波长、幅度、相位差，在控制部分的输出端获得全光任意波形。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于第1步中所述的相干光源是谱线等间距的梳状相干光源，或者是谱线连续的超连续谱相干光源；相干光源中不同波长的幅度相等，或者不相等；相干光源不同波长的相位相等，或者不等。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于第2步中所述的光纤Bragg光栅阵列中每个光纤Bragg光栅具有不同的中心波长。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于第2步中对相干光源波长的选择有两种方法：

方法二：相干光源为超连续谱相干光源时，通过调节Bragg光栅阵列的反射波长，使各Bragg光栅的中心波长等间隔，从频带范围很宽的超连续谱光源中获得波长间隔相等的相干谱线。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于第2步中对相干光源幅度的控制由初始相干光源的幅度与光纤Bragg光栅阵列的反射率共同决定，每个Bragg光栅具有不同的反射率，导致与其中心波长对应的光波反射幅度不同。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于第2步中对相干光源相位的控制由初始相干光源的相位与光纤拉伸器的相位延迟共同决定；与光纤拉伸器相邻的两个Bragg光栅对应的中心波长分别为

Figure 2010105689991100001DEST_PATH_IMAGE001

和

，光纤拉伸器调节的是波长为

和的光波的相对相位关系。