CN102820613A - 液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法及装置 - Google Patents

Abstract

液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法及装置，涉及获得平顶布里渊增益谱的方法及装置，它为了解决现有方法及装置中采用的色散位移光纤或标准单模光纤过长、等幅泵浦线较少时无法获得平顶增益谱、以及本征布里渊增益谱不可改变的问题。方法是对激光器输出的激光调制获得多谱线泵浦光，所述多谱线泵浦光输入到液芯光纤中，在液芯光纤中的后向布里渊散射光的光谱即平顶布里渊增益谱。一种装置它由激光器、偏振控制器、强度调制器、信号发生器、直流稳压电源、光纤环行器、光纤耦合器和液芯光纤组成；另一种装置它由信号发生器、光纤环行器、光纤耦合器、液芯光纤和相位调制器组成。适用于获得平顶布里渊增益谱的方法及装置。

Description

液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法及装置

技术领域

本发明涉及获得平顶布里渊增益谱的方法及装置，属于光学领域。

背景技术

近年来，基于受激布里渊散射的滤波放大技术受到广泛关注，它在强背景场微弱光信号高灵敏探测、密波分复用通信网络、光纤传感、微波光子信号处理及光放大器等系统中有巨大应用潜力。然而，研究中也发现了一些问题：首先，常用非线性介质的本征布里渊增益谱为洛伦兹线型，这势必会造成信号的非均匀放大，从而产生畸变；其次，布里渊放大器能够实现窄带光学滤波，但过窄的带宽也会对其应用有所限制。理想的滤波放大器应该能根据信号光谱的形状及带宽适当调节其增益谱宽，并使增益光谱顶部平坦化，实现低畸变滤波放大。

采用波导强度调制器和相位调制器串联（见Opt.Express,vol.16,No.11,pp.8026-8032）可产生20条多线光梳，获得带宽200MHz的平顶布里渊增益谱，这种方法使用了两种调制器，装置较复杂，增益谱顶部的强度波动较大，在2dB左右；仅用一个相位调制器对泵浦光调制可产生3条和5条等幅泵浦线（见Opt.Express,vol.15,No.4,pp.1871-1877），虽然增益谱宽扩展了，但其顶部不平，要想获得平顶增益谱，需将泵浦光调制成20条等幅线以上，然而此时调制信号的程序设计相当复杂，以至于难以实现；仅用一个强度调制器对泵浦光进行调制亦可产生多条泵浦线（见IEEE.2011 AcademicInternational Symposium on Optoelectronics and Microelectronics Technology，Harbin,2011:108-111），然而，和相位调制法类似，当等幅泵浦线较少时无法获得平顶的增益谱。另外，现有的方法及装置都是通过改变泵浦光来控制增益谱的形状，而本征布里渊增益谱是不可改变的，这势必会限制其设计的灵活性。而且，目前的方法及装置中采用的增益介质大多是色散位移光纤或标准单模光纤，由于其非线性系数较小，必须使用较高的泵浦功率或者较长的光纤进行补偿，长度通常为数十公里。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有获得平顶布里渊增益谱的方法及装置中采用的色散位移光纤或标准单模光纤过长、等幅泵浦线较少时无法获得平顶增益谱、以及本征布里渊增益谱不可改变的问题，提供液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法及装置。

本发明所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法，该方法是对激光器输出的激光进行强度调制或相位调制从而获得多谱线泵浦光，所述多谱线泵浦光输入到液芯光纤中，在液芯光纤中形成的后向布里渊Stokes散射光的光谱即为平顶布里渊增益谱。

本发明提供了两种液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，其中：

一种液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，它由激光器、偏振控制器、强度调制器、信号发生器、直流稳压电源、光纤环行器、光纤耦合器和液芯光纤组成，光纤环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，激光器的激光输出端连接在偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端与强度调制器的光信号输入端连通，信号发生器的电信号的输出端与强度调制器的电信号输入端连通，直流稳压电源的电压输出端与强度调制器的偏置电压输入端连通，强度调制器的光信号输出端与光纤环行器的第一端口连通，光纤环行器的第二端口与光纤耦合器的输入端连通，光纤耦合器的输出端与液芯光纤的输入端连通，光纤环行器的第三端口的输出端为液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的平顶布里渊增益谱的输出端。

本发明提供的另一种液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，它由激光器、偏振控制器、信号发生器、光纤环行器、光纤耦合器、液芯光纤和相位调制器组成，光纤环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，激光器的输出端连接在偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端与相位调制器的光信号输入端连通，信号发生器的电信号的输出端与相位调制器的电信号输入端连通，相位调制器的光信号输出端与光纤环行器的第一端口连通，光纤环行器的第二端口与光纤耦合器的输入端连通，光纤耦合器的输出端与液芯光纤的输入端连通，光纤环行器的第三端口的输出端为液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的平顶布里渊增益谱的输出端。

本发明选用充以两种非线性系数高的液体的液芯光纤为增益介质，从而简化泵浦光调制的设计，突破以往只能通过调制泵浦光来改变布里渊增益谱的局限性；综合液体介质的非线性系数高和光纤的操作灵活、体积小等优势，在相同泵浦功率下，光纤长度从数十公里减少到100米以内，产生平顶布里渊增益谱的方法及装置更为简单，更具有实用性；根据实际应用灵活选择芯液材料，液芯光纤的工作波长范围宽。

附图说明

图1为具体实施方式四的组成结构示意图，图2为具体实施方式五的组成结构示意图，图3为具体实施方式一中泵浦强度调制获得的双等幅线泵浦光及相应的平顶布里渊增益谱的示意图，图4为具体实施方式一中泵浦强度调制获得的3条非等幅线泵浦光及相应的平顶布里渊增益谱的示意图，图5为具体实施方式一中泵浦相位调制获得的5条非等幅线泵浦光及相应的平顶布里渊增益谱的示意图，图6为具体实施方式八中CS₂/CCl₄混合介质液芯光纤的本征布里渊增益带宽随CS₂体积分数的变化而改变曲线示意图，图7为具体实施方式一中的不同本征布里渊增益谱带宽时的平顶布里渊增益谱的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2至图7具体说明本实施方式。本实施方式所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法，该方法是对激光器输出的激光进行强度调制或相位调制从而获得多谱线泵浦光，所述多谱线泵浦光输入到液芯光纤中，在液芯光纤中形成的后向布里渊Stokes散射光的光谱即为平顶布里渊增益谱。

采用模拟的方法验证本具体实施方式所述方法，理论分析如下：

设输入光波的电场强度为：

经强度调制器后，输出光电场表示为：

其中C=π(V_m/2V_λ/2)为调制指数，V_λ/2为电光强度调制器的半波电压，V_m为调制信号的峰峰值电压，为由直流偏置电压V_DC导致的相位，

将式(2)按照Bessel函数展开得到：

从式(3)可以看出，输出光的频谱中除了入射光的光频f₀外，还有f₀±nf_m等边频成分，分别称这些光频成分为0阶、1阶、2阶…光波等，各边频与中心频率f₀的移频值nf_m取决于施加在电光调制器上的调制信号频率。当调制指数C值一定，0阶与各阶边频的幅度由

决定。

调制的泵浦光进入液芯光纤后，液芯光纤实际的布里渊增益谱为泵浦光谱和其本征布里渊增益谱的卷积，即每条光谱线产生的布里渊增益谱的叠加，可用公式(4)表示：

$G=I_0\frac{g_0}{z}\frac{{\mathrm{\γ}}^2}{v^2+{\mathrm{\γ}}^2}+\frac{g_0}{z}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\∞}{I}_n[\frac{{\mathrm{\γ}}^2}{{(v-\mathrm{n\δ})}^2+{\mathrm{\γ}}^2}+\frac{{\mathrm{\γ}}^2}{{(v+\mathrm{n\δ})}^2+{\mathrm{\γ}}^2}]---\left(4\right)$

式中，I₀和I_n分别为0阶和n阶光谱线的强度，g₀/z是每条增益谱线中心幅值，γ是每条谱线的增益线宽，δ是谱线之间的间距，v是与增益谱线中心的失谐。

当调制指数C为0.37π，直流偏置电压导致的位相

为0.5π时，0阶光波强度为零，调制后的光谱成分主要有±1阶边频光，且两个光谱线的频率间隔为液芯光纤的本征布里渊增益谱带宽的1.2倍时，所获得的双等幅线泵浦光及相应的平顶布里渊增益谱的示意图如图3所示。

当调制指数C为0.37π，直流偏置电压导致的位相

为0.34π时，调制后的光谱成分主要有0阶和±1阶边频光，而且±1阶光谱线的强度是0阶光谱线的1.8倍，相邻光谱线之间的频率间隔，即调制信号频率为液芯光纤的本征布里渊增益谱带宽时，所获得的3条非等幅线泵浦光及相应的平顶布里渊增益谱的示意图如图4所示。

设输入光波的电场强度仍为(1)式，经相位调制器后，输出光电场表示为：

E(t)=E₀cos[2πf₀t+Csin(2πf_mt)]    (5)

其中C仍然为调制指数，将式(5)按照Bessel函数展开得到：

$E\left(t\right)=E_0{\mathrm{\Σ}}_{n=-\∞}^{=\∞}{J}_n\left(C\right)\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+n{f}_m)t\right)]---\left(6\right)$

可见，对于相位调制器，0阶和各阶边频的幅度只与调制指数C有关。当调制指数C为0.54π时，通过相位调制器调制的多谱线泵浦光主要由5条光谱线组成，即0阶、±1阶和±2阶光谱线，而且±1阶光谱线的强度为0阶光谱线的1.48倍，±2阶光谱线的强度是0阶光谱线的0.73倍，形成5条非等幅线泵浦光，而且调制信号频率为液芯光纤的本征布里渊增益谱带宽时，所获得的5条非等幅线泵浦光及相应的平顶布里渊增益谱的示意图如图5所示。

本发明的方法仅用1个强度调制器或1个相位调制器对泵浦光进行正弦调制可获得双等幅泵浦线、3条或5条非等幅泵浦光谱线，进而获得带宽可调的平顶布里渊增益谱，解决了等幅泵浦线较少时无法获得平顶增益谱的问题，若要获得5条以上、20条以下泵浦光谱线对应的平顶增益谱，可基于多频强度调制和多频相位调制采用本发明提出的方法得到非等幅泵浦线以及相应的平顶布里渊增益谱。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法的进一步限定，所述液芯光纤采用充以CS₂和CCl₄混合介质的液芯光纤。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法的进一步限定，通过改变液芯光纤中的CS₂/CCl₄混合介质的混合比，实现调整获得的平顶布里渊增益谱的带宽变化范围从50MH至1GHz。

具体实施方式四：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述液芯光纤中基于泵浦调制实现平顶布里渊增益谱的装置，它由激光器1、偏振控制器2、强度调制器3、信号发生器4、直流稳压电源5、光纤环行器6、光纤耦合器7和液芯光纤8组成，光纤环行器6包括第一端口6-1、第二端口6-2和第三端口6-3，激光器1的激光输出端连接在偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端与强度调制器3的光信号输入端连通，信号发生器4的电信号的输出端与强度调制器3的电信号输入端连通，直流稳压电源5的电压输出端与强度调制器3的偏置电压输入端连通，强度调制器3的光信号输出端与光纤环行器6的第一端口6-1连通，光纤环行器6的第二端口6-2与光纤耦合器7的输入端连通，光纤耦合器7的输出端与液芯光纤8的输入端连通，光纤环行器6的第三端口6-3的输出端为液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的平顶布里渊增益谱的输出端。

激光器1输出的激光通过偏振控制器2调节激光的偏振态，使之与强度调制器3所要求输入激光的偏振态相一致，所述通过偏振控制器2后的激光注入到强度调制器3中，由信号发生器4产生的正弦调制信号通过强度调制器3将输入激光调制为多谱线泵浦光，所述多谱线泵浦光输入到光纤环行器的第一端口6-1，从光纤环行器的第二端口6-2输出，经过光纤耦合器7进入到液芯光纤8中；所述多谱线泵浦光需满足以下两个条件之一就能获得液芯光纤8的平顶布里渊增益谱：一、通过信号发生器4调节调制信号电压，使调制指数C为0.37π，通过直流稳压电源5调节直流偏置电压，使直流偏置电压导致的位相

为0.5π时，通过强度调制器3调制的多谱线泵浦光的0阶光谱线强度为零，只有±1阶两条光谱线，形成双等幅线泵浦光，而且通过信号发生器调节调制信号的频率，使两个光谱线的频率间隔为液芯光纤8的本征布里渊增益谱带宽的1.2倍；二、信号发生器4上的调制信号电压不变，调制指数C仍为0.37π，通过直流稳压电源5调节直流偏置电压，使直流偏置电压导致的位相

为0.34π时，通过强度调制器3调制的多谱线泵浦光主要由3条光谱线组成，即0阶和±1阶光谱线，而且±1阶光谱线的强度是0阶光谱线的1.8倍，形成3条非等幅线泵浦光，而且通过信号发生器调节调制信号的频率，使两条相邻光谱线之间的频率间隔为液芯光纤8的本征布里渊增益谱带宽。

具体实施方式五：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式所述液芯光纤中基于泵浦调制实现平顶布里渊增益谱的装置，它由激光器1、偏振控制器2、信号发生器4、光纤环行器6、光纤耦合器7、液芯光纤8和相位调制器10组成，光纤环行器6包括第一端口6-1、第二端口6-2和第三端口6-3，激光器1的输出端连接在偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端与相位调制器10的光信号输入端连通，信号发生器4的电信号的输出端与相位调制器10的电信号输入端连通，相位调制器10的光信号输出端与光纤环行器6的第一端口6-1连通，光纤环行器6的第二端口6-2与光纤耦合器7的输入端连通，光纤耦合器7的输出端与液芯光纤8的输入端连通，光纤环行器6的第三端口6-3的输出端为液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的平顶布里渊增益谱的输出端。

若要得到带宽更宽的平顶布里渊增益谱，可将强度调制器3换成相位调制器10，并去掉直流稳压电源，仅由信号发生器4产生的正弦调制信号通过相位调制器10将输入激光调制为多谱线泵浦光；通过信号发生器4调节调制信号电压，使调制指数C为0.54π时，通过相位调制器10调制的多谱线泵浦光主要由5条光谱线组成，即0阶、±1阶和±2阶光谱线，而且±1阶光谱线的强度为0阶光谱线的1.48倍，±2阶光谱线的强度是0阶光谱线的0.73倍，形成5条非等幅线泵浦光，所述5条非等幅线泵浦光输入到光纤环行器的第一端口6-1，从光纤环行器的第二端口6-2输出，经过光纤耦合器7进入到液芯光纤8中，通过信号发生器调节调制信号的频率，使两个相邻光谱线之间的频率间隔为液芯光纤8的本征布里渊增益谱带宽时，可得到液芯光纤8的平顶布里渊增益谱。

所述利用上述方法获得的平顶布里渊增益光谱可通过满足上述条件多谱线泵浦光在液芯光纤8形成的后向布里渊散射Stokes光的光谱来测量，所述后向布里渊散射Stokes光经光纤耦合器输入到光纤环行器6的第二端口6-2，从光纤环行器6的第三端口6-3输出，得到不同增益带宽的液芯光纤平顶布里渊增益谱。

利用上述条件所获得的液芯光纤8的平顶布里渊增益谱顶部波动幅度为0.02dB；

液芯光纤8的长度选取3~100m之间，内径选取2μm~10μm之间，液芯光纤8的内部充以CS₂/CCl₄混合介质；

本发明可根据实际需要选用1个强度调制器或1个相位调制器，大大简化了布里渊滤波放大器的系统设计，若从液芯光纤8的输出端引入信号光，利用本发明装置可实现信号光的低畸变滤波放大。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四或具体实施方式五所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的进一步限定，激光器1采用线宽为1KHz~1MHz，波长为500nm~2000nm的激光器。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四或具体实施方式五所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的进一步限定，液芯光纤8的长度选取3~100m之间、内径选取2μm~10μm之间的液芯光纤。

利用专利号为：201220162778.9的小芯径长液芯光纤灌制装置，将CS₂或CS₂/CCl₄混合介质注入到长度为3~100m、内径为2~10μm的空心光纤中制作出液芯光纤8，所制作液芯光纤8的非线性系数比标准单模光纤的高将近2个数量级。

具体实施方式八：结合图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法的进一步限定，CS₂/CCl₄混合介质液芯光纤的本征布里渊增益带宽随CS₂体积分数的变化而改变，如图6所示；在泵浦强度调制和相位调制基础上，改变CS₂/CCl₄混合介质的混合比，平顶布里渊增益谱的带宽变化范围为50MH~1GHz；与此相比，在相同泵浦调制条件下，通过色散位移光纤和标准单模光纤获得的平顶布里渊增益谱的带宽变化范围为60MHz~150MHz。

本发明突破以往只能通过调制泵浦光来改变布里渊增益谱的局限性，利用简单的正弦信号调制泵浦光，结合液芯光纤本征布里渊增益光谱可变的特点，更大范围内调整平顶布里渊增益谱的带宽；综合液体介质的非线性系数高和光纤的操作灵活、体积小等优势，在相同泵浦功率下，光纤长度从数十公里减少到100米以内，产生平顶布里渊增益谱的方法和装置更为简单，更具有实用性；根据实际应用灵活选择芯液材料，液芯光纤的工作波长范围很宽。

Claims (7)

1.液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法，其特征在于，该方法是对激光器输出的激光进行强度调制或相位调制从而获得多谱线泵浦光，所述多谱线泵浦光输入到液芯光纤中，在液芯光纤中形成的后向布里渊Stokes散射光的光谱即为平顶布里渊增益谱。

2.根据权利要求1所述的液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法，其特征在于，所述液芯光纤采用充以CS₂和CCl₄混合介质的液芯光纤。

3.根据权利要求2所述的液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的方法，其特征在于，通过改变液芯光纤中的CS₂/CCl₄混合介质的混合比，实现调整获得的平顶布里渊增益谱的带宽变化范围从50MH至1GHz。

4.液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，其特征是，它由激光器(1)、偏振控制器(2)、强度调制器(3)、信号发生器(4)、直流稳压电源(5)、光纤环行器(6)、光纤耦合器(7)和液芯光纤(8)组成，光纤环行器(6)包括第一端口(6-1)、第二端口(6-2)和第三端口(6-3)，激光器(1)的激光输出端连接在偏振控制器(2)的输入端，偏振控制器(2)的输出端与强度调制器(3)的光信号输入端连通，信号发生器(4)的电信号的输出端与强度调制器(3)的电信号输入端连通，直流稳压电源(5)的电源输出端与强度调制器(3)的电源输入端连通，强度调制器(3)的光信号输出端与光纤环行器(6)的第一端口(6-1)连通，光纤环行器(6)的第二端口(6-2)与光纤耦合器(7)的输入端连通，光纤耦合器(7)的输出端与液芯光纤(8)的输入端连通，光纤环行器(6)的第三端口(6-3)的输出端为液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的平顶布里渊增益谱的输出端。

5.液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，其特征是，它由激光器(1)、偏振控制器(2)、信号发生器(4)、光纤环行器(6)、光纤耦合器(7)、液芯光纤(8)和相位调制器(10)组成，光纤环行器(6)包括第一端口(6-1)、第二端口(6-2)和第三端口(6-3)，激光器(1)的输出端连接在偏振控制器(2)的输入端，偏振控制器(2)的输出端与相位调制器(10)的光信号输入端连通，信号发生器(4)的电信号的输出端与相位调制器(10)的电信号输入端连通，相位调制器(10)的光信号输出端与光纤环行器(6)的第一端口(6-1)连通，光纤环行器(6)的第二端口(6-2)与光纤耦合器(7)的输入端连通，光纤耦合器(7)的输出端与液芯光纤(8)的输入端连通，光纤环行器(6)的第三端口(6-3)的输出端为液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置的平顶布里渊增益谱的输出端。

6.根据权利要求4或5所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，其特征在于，激光器(1)采用线宽为1KHz～1MHz，波长为500nm~2000nm的激光器。

7.根据权利要求4或5所述液芯光纤中基于泵浦调制获得平顶布里渊增益谱的装置，其特征在于，液芯光纤(8)的长度选取3~100m之间、内径选取2μm~10μm之间的液芯光纤。

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