CN103138148A - 扩展光谱宽度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种扩展光谱宽度的装置及方法，其中扩展光谱宽度的装置包括分光镜、第一平面镜、第二平面镜和聚焦透镜；分光镜用于对从入射端口入射的激光脉冲分别进行反射和透射；第一平面镜用于对分光镜反射的激光脉冲进行反射；第二平面镜用于对分光镜透射的激光脉冲进行反射；第一平面镜与分光镜的距离和第二平面镜与分光镜的距离不相等；分光镜还用于将第一平面镜反射的激光脉冲透射至聚焦透镜，并将第二平面镜反射的激光脉冲反射至聚焦透镜；聚焦透镜用于将入射的两束激光脉冲通过出射端口输出至光纤，通过控制两束激光脉冲进入光纤的先后顺序，使得两束激光脉冲的强孤子在光纤中进行碰撞，使得输出的激光脉冲的光谱宽度得到展宽。

Description

扩展光谱宽度的装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术，尤其涉及一种扩展光谱宽度的装置及方法。

背景技术

超连续谱（super-continuum，SC）是指激光在通过非线性材料后，出射激光的光谱中产生了较多新的频率成分，从而使得出射激光的光谱宽度远远大于入射激光的光谱宽度，一般可以达到几百纳米甚至上千纳米。利用光子晶体光纤（(Photonic Crystal Fibers，PCF）产生的超连续谱，具有较高的输出功率、较为平坦的宽带光谱、较好的空间相干性等特性。

利用超连续谱作为光源，已经在光谱学分析、显微镜成像和光相干层析技术等许多领域中有重要的应用。在光通信方面，超连续谱还可以作为高速波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光时分复用（Optical Time Division Multiplex，OTDM）的光源。超连续谱还可以应用在光载无线通信（radio-over-fiber，ROF）技术、波长转换、WDM光网的全光再生、光纤的色散测量及光学采样等领域。

为了满足不同应用领域对超连续谱的波长范围的需求，需要获得具有更宽光谱宽度的超连续谱。目前普遍采用的方式为，通过采用具有特殊结构或包括特定材料成分的光纤，在一定程度上扩展超连续谱的光谱宽度。

但是，由于超连续谱的光谱宽度是由激光脉冲的脉冲峰值功率值决定的，而激光脉冲的脉冲峰值功率值需要设定在工作范围内，不可能无限地进行增大，因此，现有技术中扩展超连续谱的光谱宽度的方法，在对光谱宽度的扩展效果方面存在局限性。

发明内容

本发明实施例提供一种扩展光谱宽度的装置及方法，用于解决对光谱宽度的扩展效果方面存在局限性的问题。

本发明实施例的第一个方面是提供一种扩展光谱宽度的装置，包括：分光镜、第一平面镜、第二平面镜和聚焦透镜；

所述分光镜，用于对从入射端口入射的激光脉冲分别进行反射和透射；

所述第一平面镜，用于对所述分光镜反射的激光脉冲进行反射；所述第二平面镜，用于对所述分光镜透射的激光脉冲进行反射；所述第一平面镜与所述分光镜的距离，和所述第二平面镜与所述分光镜的距离不相等；

相应地，所述分光镜还用于将所述第一平面镜反射的激光脉冲透射至所述聚焦透镜，并将所述第二平面镜反射的激光脉冲反射至所述聚焦透镜；

所述聚焦透镜用于将入射的两束激光脉冲通过出射端口输出至光纤，以使所述入射的两束激光脉冲中的强孤子在所述光纤中进行碰撞，以供所述光纤将光谱宽度扩展后的激光脉冲输出。

本发明实施例的第二个方面是提供一种扩展光谱宽度的方法包括：

将入射的激光脉冲通过分光镜进行反射和透射；

将所述分光镜反射出的激光脉冲，经过反射后再通过所述分光镜进行透射，得到第一激光脉冲；并将所述分光镜透射出的激光脉冲，经过反射后再通过所述分光镜进行反射，得到第二激光脉冲；所述第一激光脉冲的光程与所述第二激光脉冲的光程不相等；

将所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲聚焦后输出至光纤，以使所述第一激光脉冲中的强孤子与所述第二激光脉冲中的强孤子在所述光纤中进行碰撞，以供所述光纤将光谱宽度扩展后的激光脉冲输出。

本发明实施例提供的扩展光谱宽度的装置及方法，利用分光镜将入射的激光脉冲分为两束，在两个平面镜的反射作用，以及该分光镜的半透半反作用下，使得两束激光脉冲通过聚焦透镜会聚后输入到光纤中，通过控制两束激光脉冲进入光纤的先后顺序，使得两束激光脉冲的强孤子在光纤中进行碰撞，从而使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度进一步地得到展宽。

附图说明

图1为本发明实施例提供的扩展光谱宽度的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一扩展光谱宽度的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的扩展光谱宽度的方法的流程图。

具体实施方式

本发明各实施例中的扩展光谱宽度的装置均包括入射端口和出射端口。其中，入射端口可以接收激光器发出的激光脉冲，所采用的激光器可以为能够提供泵浦激光脉冲的光纤激光器或固体激光器；出射端口可以连接光纤，用于将经过该装置处理后的激光脉冲输出至所连接的光纤，所连接的光纤可以为光子晶体光纤、色散位移光纤、高非线性光纤或单模光纤等多种类型的光纤。

图1为本发明实施例提供的扩展光谱宽度的装置的结构示意图，如图1所示，如图1所示，该扩展光谱宽度的装置包括：分光镜11、第一平面镜12、第二平面镜13和聚焦透镜14。

其中，所述分光镜11，用于对从入射端口入射的激光脉冲分别进行反射和透射；所述第一平面镜12，用于对所述分光镜11反射的激光脉冲进行反射；所述第二平面镜13，用于对所述分光镜11透射的激光脉冲进行反射；所述第一平面镜12与所述分光镜11的距离，和所述第二平面镜13与所述分光镜11的距离不相等；相应地，所述分光镜11还用于将所述第一平面镜12反射的激光脉冲透射至所述聚焦透镜14，并将所述第二平面镜13反射的激光脉冲反射至所述聚焦透镜14；所述聚焦透镜14用于将入射的两束激光脉冲通过出射端口输出至光纤，以使所述入射的两束激光脉冲中的强孤子在所述光纤中进行碰撞，以供所述光纤将光谱宽度扩展后的激光脉冲输出。

具体的，扩展光谱宽度的装置从入射端口接收到入射的激光脉冲之后，将发射至分光镜11，分光镜11的反射面与激光脉冲的入射方向呈45度角。由于分光镜11即为半透半反镜，会将入射到其上的激光脉冲进行反射和透射。因此，入射到分光镜11上的激光脉冲中的一部分将被反射至第一平面镜12，另一部分将被透射至第二平面镜13。第一平面镜12与分光镜11的反射面呈45度角，第二平面镜13与分光镜11的反射面呈135度角

第一平面镜12和第二平面镜13均会对入射到其上的激光脉冲进行反射，因此，第一平面镜12对分光镜11反射的激光脉冲再反射至分光镜11，第二平面镜13对分光镜11透射的激光脉冲再反射至分光镜11。

分光镜11在接收到第一平面镜12反射的激光脉冲之后，该束激光脉冲中的一部分将被透射至聚焦透镜14，聚焦透镜14与分光镜11的反射面呈135度角；分光镜11在接收到第二平面镜13反射的激光脉冲之后，该束激光脉冲中的一部分将被反射至聚焦透镜14。

聚焦透镜14在接收到分光镜11分别反射和透射的两束激光脉冲之后，将这两束激光脉冲进行聚焦耦合，并通过出射端口输出至所连接的光纤。

在本发明实施例中，第一平面镜12与分光镜11之间的距离可以大于第二平面镜13与分光镜11之间的距离，也可以小于第二平面镜13与分光镜11之间的距离，但是两者不可以相等。

由于在第一平面镜12和第二平面镜13与分光镜11之间的距离不相等的情况下，分光镜11发射至聚焦透镜14的两束激光脉冲是先后通过出射端口进入光纤的，而并非同时进入。

在两束激光脉冲先后进入光纤的情况下，两束激光脉冲中的强孤子之间将发生碰撞。激光脉冲中峰值功率最高的光孤子被称为强孤子，强孤子是光孤子中红移速率最快，传输也最慢的光孤子。

针对不同脉冲宽度和不同峰值功率的脉冲激光，对第一平面镜12和第二平面镜13分别与分光镜11的距离进行设计，使得先后进入光纤中的两束激光脉冲的强孤子之间能够发生碰撞，从而使得能量能够有效地从后进入光纤的激光脉冲中的高频孤子向先进入光纤的激光脉冲中的低频孤子转移，从而加速了发生碰撞的光孤子的红移，同时通过孤子捕获效应使得色散波产生了相应的蓝移。由于光谱的宽度即长波长端与短波长端之间的宽度，因此，通过使得发生碰撞的光孤子产生红移，能够使得光谱的长波长端得到扩展；通过使得色散波产生蓝移，能够使得光谱的短波长端得到扩展，从而使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度得到了扩展。

本发明实施例提供的扩展光谱宽度的装置，利用分光镜将入射的激光脉冲分为两束，在两个平面镜的反射作用，以及该分光镜的半透半反作用下，使得两束激光脉冲通过聚焦透镜会聚后输入到光纤中，通过控制两束激光脉冲进入光纤的先后顺序，使得两束激光脉冲的强孤子在光纤中进行碰撞，从而使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度进一步地得到展宽。

图2为本发明实施例提供的另一扩展光谱宽度的装置的结构示意图，如图2所示，该扩展光谱宽度的装置还包括：设置于所述入射端口的偏振片15。相应地，所述分光镜11为偏振分光镜11。

在所述第一平面镜12与所述偏振分光镜11的距离小于所述第二平面镜13与所述偏振分光镜11的距离时，经过所述偏振片15的激光脉冲的偏振方向与所述偏振分光镜11透射至所述聚焦透镜14的激光脉冲的偏振方向一致；

在所述第一平面镜12与所述偏振分光镜11的距离大于所述第二平面镜13与所述偏振分光镜11的距离时，经过所述偏振片15的激光脉冲的偏振方向与所述偏振分光镜11反射至所述聚焦透镜14的激光脉冲的偏振方向一致。

具体的，在上述扩展光谱宽度的装置的基础上，在装置内部紧贴入射端口处还可以设置一个偏振片15。相应地，分光镜11采用偏振分光镜。

由于在强孤子碰撞过程中，如果先进入光纤的激光脉冲中的强孤子与后进入光纤的激光脉冲中的强孤子相比，具有更高的峰值功率和更慢的群速度，那么更高的峰值功率能够加速光孤子的红移，更慢的群速度能够使得后进入光纤的激光脉冲中的强孤子能够追赶上先进入光纤的激光脉冲中的强孤子，以使两者能够发生碰撞。并且，由于孤子捕获效应，先进入光纤的激光脉冲中产生的强孤子具有更慢的群速度，会使得相应的色散波产生蓝移。由于长波长端发生红移和短波长端发生蓝移，使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度更宽，更有利于获得具有较宽光谱的激光脉冲。

为了使得两束激光脉冲中，先进入光纤的激光脉冲中的强孤子的峰值功率高于后进入光纤的激光脉冲，则需要对偏振片15的偏振方向进行调节。另外，根据偏振分光镜的工作原理可知，从偏振分光镜中反射和透射的两束激光脉冲的偏正方向是不同的。针对以下两种情况，分别进行说明。

一种情况为，经过第一平面镜12反射，并经过偏振分光镜11透射的激光脉冲先通过聚焦透镜14进入光纤。在这样的情况下，将偏振片15旋转至使得经过偏振片15的激光脉冲的偏振方向，与偏振分光镜11透射至聚焦透镜14的激光光束的偏振方向一致。

另一种情况为，经过第二平面镜13反射，并经过偏振分光镜11反射的激光脉冲先通过聚焦透镜14进入光纤。在这样的情况下，将偏振片15旋转至使得经过偏振片15的激光脉冲的偏振方向，与偏振分光镜11反射至聚焦透镜14的激光光束的偏振方向一致。

从而，能够保证先进入光纤的激光脉冲具有更高的峰值功率，以使得先进入光纤的激光脉冲中的强孤子，具有比后进入光纤的激光脉冲中的强孤子更高的峰值功率。

进一步地，所述出射端口连接的光纤为光子晶体光纤、色散位移光纤、高非线性光纤或单模光纤。

具体的，光子晶体光纤、色散位移光纤和高非线性光纤为特种光纤，激光脉冲在这些光纤中传输时，经过非线性转化，会输出具有超连续谱的激光脉冲。而经过上述扩展光谱宽度的装置处理的两束激光脉冲输入特种光纤中，会使得从特种光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度在超连续谱的基础上，进一步地得到了展宽。也就是说，使得特种光纤输出的超连续谱的光谱宽度得到了展宽。

即使对于单模光纤这样的普通光纤，经过上述扩展光谱宽度的装置处理的两束激光脉冲输入后，也会使得从普通光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度，在原有基础上进一步地得到了展宽。

在上述各实施例中，在实验阶段，可以将第一平面镜12和第二平面镜13分别置于一维精密调节架上，以10-30微米为步长平行移动，以便于对这两个平面镜的位置进行微调；可以将聚焦透镜14固定在三维精密调节架上，将光线的入射端也安装在该三维精密调节架上，以10-30微米为步长移动，并使得入射端面与聚焦透镜14平行，以使聚焦透镜和光纤的入射端面能够更精准地接收入射的激光脉冲。若所采用的聚焦透镜14的焦距为10毫米，则光纤的入射端可以置于聚焦透镜14的中心后方10毫米处。

以下通过举例，对扩展光谱宽度的装置进行说明，一种优选的实施方式如下。

在不采用本发明各实施例提供的扩展光谱宽度的装置的情况下，将峰值功率为375W的激光脉冲输入到光纤之后，从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度为645nm。

而将峰值功率为375W的激光脉冲，输入到本发明各实施例提供的扩展光谱宽度的装置的情况下，若将从该装置输入到光纤的两束激光脉冲的时间间隔调整为20ps，则从光纤中输出的光谱宽度为818nm，与不采用扩展光谱宽度的装置相比扩展了26.8%。

此外，若输入扩展光谱宽度的装置的激光脉冲的脉冲宽度为5ps，通过对偏振片15进行调整，使得经过偏振分光镜11和第一平面镜12到达出射端口的激光脉冲的峰值功率值为500W；经过偏振分光镜11和第二平面镜13到达出射端口的激光脉冲的峰值功率值为250W。

在这样的情况下，当激光脉冲经过第一平面镜12到达偏振分光镜11的光程，比第二平面镜13到达偏振分光镜11的光程小3cm时，对应的两束激光脉冲的时间间隔为20ps；当激光脉冲经过第一平面镜12到达偏振分光镜11的光程，比第二平面镜13到达偏振分光镜11的光程小48cm时，对应的两束激光脉冲的时间间隔为320ps。

两束激光脉冲的时间间隔为320ps时，从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度为677nm；两束激光脉冲的时间间隔为20ps时，从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度为818nm，该光谱宽度与时间间隔为20ps时相比扩展了20.8%。

由此可见，采用扩展光谱宽度的装置，并且将输入光纤的两束激光脉冲的时间间隔调整得相对较小时，能够使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度得到有效的扩展。

本发明实施例提供的扩展光谱宽度的装置，利用分光镜将入射的激光脉冲分为两束，在两个平面镜的反射作用，以及该分光镜的半透半反作用下，使得两束激光脉冲通过聚焦透镜会聚后输入到光纤中，通过控制两束激光脉冲进入光纤的先后顺序，并通过偏振片和偏振分光镜控制入射的激光脉冲的偏振方向，使得两束激光脉冲的强孤子在光纤中进行碰撞，并且先进入光纤的激光脉冲中的强孤子比后进入光纤的激光脉冲中的强孤子的峰值功率高，从而使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度更进一步地得到展宽。

图3为本发明实施例提供的扩展光谱宽度的方法的流程图，如图3所示，该方法包括：

101、将入射的激光脉冲通过分光镜进行反射和透射。

102、将所述分光镜反射出的激光脉冲，经过反射后再通过所述分光镜进行透射，得到第一激光脉冲；并将所述分光镜透射出的激光脉冲，经过反射后再通过所述分光镜进行反射，得到第二激光脉冲。其中，所述第一激光脉冲的光程与所述第二激光脉冲的光程不相等。

具体的，其中，第一激光脉冲是图1或图2中所示的第一平面镜12反射至分光镜11之后，分光镜11透射至聚焦透镜14的激光脉冲；第二激光脉冲是第二平面镜13反射至分光镜11之后，分光镜11反射至聚焦透镜14的激光脉冲。

第一激光脉冲与第二激光脉冲的光程不相等，即对应着图1或图2所示实施例中所述的第一平面镜12与分光镜11之间的距离，和第二平面镜13与分光镜11之间的距离不相等。

103、将所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲聚焦后输出至光纤。执行步骤103是为了使所述第一激光脉冲中的强孤子与所述第二激光脉冲中的强孤子在所述光纤中进行碰撞，以供所述光纤将光谱宽度扩展后的激光脉冲输出。

本发明实施例提供的扩展光谱宽度的方法，利用分光镜将入射的激光脉冲分为两束，在反射作用及该分光镜的半透半反作用下，使得两束激光脉冲聚焦会聚后输入到光纤中，通过控制两束激光脉冲进入光纤的先后顺序，使得两束激光脉冲的强孤子在光纤中进行碰撞，从而使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度进一步地得到展宽。

进一步地，所述分光镜为偏振分光镜；相应地，所述方法还包括：

在所述第一激光脉冲的光程小于所述第二激光脉冲的光程时，将所述入射的激光脉冲的偏振方向设置为与所述第一激光脉冲的偏振方向一致；

在所述第一激光脉冲的光程大于所述第二激光脉冲的光程，将所述入射的激光脉冲的偏振方向设置为与所述第二激光脉冲的偏振方向一致。

进一步地，所述光纤为光子晶体光纤、色散位移光纤、高非线性光纤或单模光纤。

具体的，本发明各实施例中的扩展光谱宽度的装置对光谱宽度进行扩展的方法，可以参见上述对应的装置实施例中所述的实现方式，此次不再赘述。

本发明实施例提供的扩展光谱宽度的方法，利用分光镜将入射的激光脉冲分为两束，在反射作用及该分光镜的半透半反作用下，使得两束激光脉冲聚焦会聚后输入到光纤中，通过控制两束激光脉冲进入光纤的先后顺序，并通过控制入射的激光脉冲的偏振方向，使得两束激光脉冲的强孤子在光纤中进行碰撞，并且先进入光纤的激光脉冲中的强孤子比后进入光纤的激光脉冲中的强孤子的峰值功率高，从而使得从光纤中输出的激光脉冲的光谱宽度更进一步地得到展宽。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种扩展光谱宽度的装置，其特征在于，包括：分光镜、第一平面镜、第二平面镜和聚焦透镜；

所述分光镜，用于对从入射端口入射的激光脉冲分别进行反射和透射；

所述第一平面镜，用于对所述分光镜反射的激光脉冲进行反射；所述第二平面镜，用于对所述分光镜透射的激光脉冲进行反射；所述第一平面镜与所述分光镜的距离，和所述第二平面镜与所述分光镜的距离不相等；

相应地，所述分光镜还用于将所述第一平面镜反射的激光脉冲透射至所述聚焦透镜，并将所述第二平面镜反射的激光脉冲反射至所述聚焦透镜；

所述聚焦透镜用于将入射的两束激光脉冲通过出射端口输出至光纤，以使所述入射的两束激光脉冲中的强孤子在所述光纤中进行碰撞，以供所述光纤将光谱宽度扩展后的激光脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的扩展光谱宽度的装置，其特征在于，所述扩展光谱宽度的装置还包括：设置于所述入射端口的偏振片；相应地，所述分光镜为偏振分光镜；

若所述第一平面镜与所述偏振分光镜的距离小于所述第二平面镜与所述偏振分光镜的距离，则经过所述偏振片的激光脉冲的偏振方向与所述偏振分光镜透射至所述聚焦透镜的激光脉冲的偏振方向一致；

若所述第一平面镜与所述偏振分光镜的距离大于所述第二平面镜与所述偏振分光镜的距离，则经过所述偏振片的激光脉冲的偏振方向与所述偏振分光镜反射至所述聚焦透镜的激光脉冲的偏振方向一致。

3.根据权利要求1或2所述的扩展光谱宽度的装置，其特征在于，所述出射端口连接的光纤为光子晶体光纤、色散位移光纤、高非线性光纤或单模光纤。

4.一种扩展光谱宽度的方法，其特征在于，包括：

将入射的激光脉冲通过分光镜进行反射和透射；

将所述分光镜反射出的激光脉冲，经过反射后再通过所述分光镜进行透射，得到第一激光脉冲；并将所述分光镜透射出的激光脉冲，经过反射后再通过所述分光镜进行反射，得到第二激光脉冲；所述第一激光脉冲的光程与所述第二激光脉冲的光程不相等；

将所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲聚焦后输出至光纤，以使所述第一激光脉冲中的强孤子与所述第二激光脉冲中的强孤子在所述光纤中进行碰撞，以供所述光纤将光谱宽度扩展后的激光脉冲输出。

5.根据权利要求4所述的扩展光谱宽度的方法，其特征在于，所述分光镜为偏振分光镜；

相应地，所述方法还包括：

若所述第一激光脉冲的光程小于所述第二激光脉冲的光程，则将所述入射的激光脉冲的偏振方向设置为与所述第一激光脉冲的偏振方向一致；

若所述第一激光脉冲的光程大于所述第二激光脉冲的光程，则将所述入射的激光脉冲的偏振方向设置为与所述第二激光脉冲的偏振方向一致。

6.根据权利要求4或5所述的扩展光谱宽度的方法，其特征在于，所述光纤为光子晶体光纤、色散位移光纤、高非线性光纤或单模光纤。

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