CN102778800A - 利用直流光产生光脉冲的方法及装置 - Google Patents

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努尔买买提
袁飞
洪向前
郑秀
杨惠姣
张尚剑
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Abstract

本发明涉及一种光脉冲产生方法及装置。本发明针对现有技术光调制器的缺点，公开了一种利用直流光产生光脉冲的方法及装置，用直流光产生光脉冲。本发明技术方案的特点是利用电脉冲控制开关型光放大器的开启和关闭，对输入的直流光进行调制，在开关型光放大器输出端得到光脉冲。特别是采用开关型半导体光放大器作为调制器件，具有易于集成，功耗低，体积小的特点。本发明对直流光的调制不但不会引入损耗，反而会对光信号进行放大，具有消光比高，光带宽很宽等特点，在分布式光纤传感系统具有广泛的应用前景。

Description

利用直流光产生光脉冲的方法及装置
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及光外调制技术，特别涉及一种光脉冲产生方法及装置。
背景技术
在分布式光纤传感系统中，通常采用光时域反射的方式对传感信号进行定位。所以重复频率可调、脉冲宽度可调的高消光比脉冲是满足不同传感距离和空间分辨率要求的关键技术。这种光脉冲的获得，通常是将电脉冲信号调制到直流光上，如图1所示，在光调制系统输入端1输入直流光，输入端2输入占空比为b，重复频率为f的电脉冲信号，在输出端3可获得占空比和重复频率与电脉冲信号一致的光脉冲信号，从而实现光调制。
传统的脉冲调制系统常采用激光器直接调制或外调制方法。其中，直接调制方法用电脉冲来驱动激光器，从而产生光脉冲。直接调制方法比较简单，但主要缺点是调制速率比较低，啁啾较大，光脉冲存在驰豫振荡。此外，在相干检测等解调条件下需要来自与调制信号同一个激光器的本振直流光用于零差法检测，因此必须采用外调制方法。传统外调制方法常采用铌酸锂马赫-曾德尔强度调制器、电吸收调制器和声光调制器等实现对直流光的脉冲调制。其中铌酸锂马赫-曾德尔强度调制器对输入光偏振方向很敏感，半波电压比较高，消光比也较低。如果需要获得比较高的消光比，则必须采用级联结构，使得调制系统变得复杂。电吸收调制器可以实现较高的消光比，但电吸收调制过程会引入较大的光损耗，影响光脉冲的信噪比，从而不能满足分布式光纤传感系统的要求。声光调制器调制速率比较慢，而且价格昂贵。
在杨远洪等人的发明专利《一种基于Sagnac干涉仪的光脉冲发生方法和装置》（中国专利公开号CN101382669A，公开日2009.03.11）公开的，基于Sagnac干涉仪电光调制的光脉冲发生方法，虽然比较简单、易于实现，但其中的波导及光纤元件不利于系统集成。此外，此结构与铌酸锂调制器类似，同样具有偏振敏感性且较大的光功率损耗，从而难以实现高消光比的脉冲发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种利用直流光产生光脉冲的方法及装置，用直流光产生光脉冲。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，利用直流光产生光脉冲的方法，包括以下步骤：
A、将直流光输入开关型光放大器；
B、利用电脉冲控制开关型光放大器的开启或关闭，开关型光放大器开启，允许直流光通过，开关型光放大器有光信号输出，开关型光放大器关闭，直流光被吸收，开关型光放大器无有效光信号输出；
C、在开关型光放大器输出端得到光脉冲。
进一步的，通过调整所述电脉冲参数控制光脉冲参数。
具体的，所述电脉冲参数为脉冲重复频率和/或脉冲宽度。
具体的，所述开关型光放大器为开关型半导体光放大器。
本发明利用直流光产生光脉冲的装置，包括直流光发生器、电脉冲发生器和开关型光放大器，所述直流光发生器与开关型光放大器输入端连接，向其输入直流光；所述电脉冲发生器与开关型光放大器控制端连接，控制其开启和关闭；所述开关型光放大器用于根据电脉冲参数，对输入直流光进行调制，在其输出端产生光脉冲输出。
进一步的，所述电脉冲发生器具有电脉冲参数控制装置，用于调整输出电脉冲参数。
具体的，所述电脉冲参数为脉冲重复频率和/或脉冲宽度。
优选的，所述开关型光放大器，为开关型半导体光放大器，所述直流光发生器为半导体激光器。
进一步的，所述开关型半导体光放大器和半导体激光器集成在同一片半导体芯片中。
本发明的有益效果是，对直流光的调制不但不会引入损耗，反而会对光信号进行放大。并具有消光比高，易于集成，功耗低，体积小，光带宽很宽等特点，在分布式光纤传感系统具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是脉冲调制原理示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是实验测得的开关型半导体光放大器的自发放大辐射光谱图；
图4是实验测得的开关型半导体光放大器输出光强与注入电流关系示意图；
图5是选用不同的电脉冲宽度产生的光脉冲实验结果示意图，其中图（a）为电脉冲宽度为200纳秒的实验结果图；图（b）是电脉冲宽度为100纳秒的实验结果图；图（c）是电脉冲宽度为20纳秒的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明利用直流光产生光脉冲的方法步骤是：
首先将直流光输入开关型光放大器。可以采用激光发生器等直流光发生器，开关型光放大器可以采用半导体材料构成的开关型光放大器等。
第二步，利用电脉冲控制开关型光放大器的开启或关闭，开关型光放大器开启，允许直流光通过，开关型光放大器有光信号输出，开关型光放大器关闭，直流光被吸收，开关型光放大器无有效光信号输出。通过调整电脉冲参数可以控制光脉冲参数，电脉冲参数可以是脉冲重复频率，也可以是和脉冲宽度，或者重复频率和脉冲宽度同时进行调整。
第三步，在开关型光放大器输出端得到光脉冲。该光脉冲与输入电脉冲重复频率和脉冲宽度相同。
本发明本例利用直流光产生光脉冲的装置结构如图2所示，包括直流光发生器、电脉冲发生器和开关型光放大器。直流光发生器输出的直流光与开关型光放大器输入端连接，向开关型光放大器输入直流光。电脉冲发生器输出的电脉冲与开关型光放大器控制端连接，控制开关型光放大器开启和关闭，开关型光放大器在该电脉冲控制下，对输入直流光进行调制，根据电脉冲参数开启或关断输出的光信号，从而在开关型光放大器输出端产生光脉冲输出。该光脉冲参数与电脉冲参数相同，包括脉冲重复频率和脉冲宽度。为了方便调整输出光脉冲的参数，本发明的电脉冲发生器需要具有相应的电脉冲参数控制装置，用于调整输出电脉冲参数，从而控制光脉冲的参数。
实施例
本例的开关型半导体光放大器为偏振无关、开关型半导体光放大器，其开关时间为500皮秒，因此可以产生纳秒量级的光脉冲。本例对选用的开关型半导体光放大器自发放大辐射光谱和静态开关特性进行了实验测量，图3为该开关型半导体光放大器注入电流为150毫安条件下，实验测得的自发放大辐射光谱图。其3分贝带宽超过66纳米，说明本例脉冲调制光带宽可以达到66纳米以上。图4为输入直流光强为1毫瓦条件下，实验测得的开关型半导体光放大器输出光强与注入电流关系示意图，可以看出，当注入电流I小于阈值电流I0时，对应于电脉冲信号的低电平，开关型半导体光放大器处于关断状态，即对输入光进行吸收，输出端无有效光信号输出；当电流超过阈值电流I0时，对应于电脉冲信号的高电平，开关型半导体光放大器处于开启状态，输出端有光信号输出。实验中测到，当开关型半导体光放大器注入电流达到105毫安以上时，即可对输入光实现放大。从静态开关特性曲线可以计算出，该开关型半导体光放大器开关消光比可以达到50分贝以上。
根据上述实验测量到的静态开关特性，确定输入电脉冲信号高电平为150毫安，重复频率为1000赫兹，输入直流光功率为1毫瓦。输出光脉冲波形由Agilent 86100A采样示波器（光端口带宽为30千兆赫兹）进行观察。
图5是上述实验条件下三种宽度的脉冲输出对比图。其中图（a）脉冲宽度为200纳秒；图（b）脉冲宽度为100纳秒；图（c）脉冲宽度为20纳秒。从图中可以看出，所发生的光脉冲消光比都很高。但是，随着脉冲宽度的减小，上升沿出现畸变，这主要由开关型半导体光放大器的开关时间造成的。此外，脉冲顶部出现的噪声主要由电流噪声所导致。测得的输出光脉冲消光比如下表所示：
  脉冲宽度（纳秒）   消光比（分贝）
  200   31.2
  100   31.1
  20   30.2
本实施例实现了波长为1555纳米，重复频率为1000赫兹，脉冲宽度最窄为20纳秒的高消光比脉冲发生，可以通过调节电脉冲重复频率实现不同重复频率的光脉冲发生。
分布式光纤传感系统需要小型化、集成化、低功耗、重复频率和脉冲宽度可调的高消光比光脉冲发生器件。本例中如果直流光发生器采用与开关型半导体光放大器相同基材的半导体激光器，则可以非常容易的实现将开关型半导体光放大器和半导体激光器集成在同一片半导体芯片中，实现系统的小型化、集成化。
由图3所示的开关型半导体光放大器的静态增益响应特性可知，当注入电流I小于阈值电流I0时，对应于电脉冲信号的低电平，开关型半导体光放大器处于关断状态，即对输入光进行吸收，基本没有光输出。由于这种特性，当将开关型半导体光放大器作光开关用时，其对电脉冲信号低电平噪声的容忍度很高，而电脉冲信号高电平只要大于开关型半导体光放大器的阈值电流，即可实现对输入直流光的开关功能，产生光脉冲信号。开关型半导体光放大器比较宽的线性调制区域则允许我们通过加大电信号高电平电流的方法来提高输出光脉冲的消光比。从本实施例可知，本发明的光脉冲产生方法能够满足系统对高消光比的要求以及小型化、集成化的趋势。因此，本发明利用开关型半导体光放大器和半导体激光器的高消光比脉冲发生方法，能够为分布式光纤系统提供高性价比的光脉冲源，具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.利用直流光产生光脉冲的方法，包括以下步骤：
A、将直流光输入开关型光放大器；
B、利用电脉冲控制开关型光放大器的开启或关闭，开关型光放大器开启，允许直流光通过，开关型光放大器有光信号输出，开关型光放大器关闭，直流光被吸收，开关型光放大器无有效光信号输出；
C、在开关型光放大器输出端得到光脉冲。
2.根据权利要求1所述的利用直流光产生光脉冲的方法，其特征在于，通过调整所述电脉冲参数控制光脉冲参数。
3.根据权利要求2所述的利用直流光产生光脉冲的方法，其特征在于，所述电脉冲参数为脉冲重复频率和/或脉冲宽度。
4.根据权利要求1~3所述的利用直流光产生光脉冲的方法，其特征在于，所述开关型光放大器为开关型半导体光放大器。
5.利用直流光产生光脉冲的装置，包括直流光发生器、电脉冲发生器和开关型光放大器，所述直流光发生器与开关型光放大器输入端连接，向其输入直流光；所述电脉冲发生器与开关型光放大器控制端连接，控制其开启和关闭；所述开关型光放大器用于根据电脉冲参数，对输入直流光进行调制，在其输出端产生光脉冲输出。
6.根据权利要求5所述的利用直流光产生光脉冲的装置，其特征在于，所述电脉冲发生器具有电脉冲参数控制装置，用于调整输出电脉冲参数。
7.根据权利要求6所述的利用直流光产生光脉冲的装置，其特征在于，所述电脉冲参数为脉冲重复频率和/或脉冲宽度。
8.根据权利要求5~7任意一项所述的利用直流光产生光脉冲的装置，其特征在于，所述开关型光放大器为开关型半导体光放大器，所述直流光发生器为半导体激光器。
9.根据权利要求8所述的利用直流光产生光脉冲的装置，其特征在于，所述开关型半导体光放大器和半导体激光器集成在同一片半导体芯片中。
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