CN103246017B

CN103246017B - 基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器及整形方法

Info

Publication number: CN103246017B
Application number: CN201310174820.8A
Authority: CN
Inventors: 张爱玲; 杨孟超
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103246017A

Abstract

一种基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器及其整形方法。整形器包括，由第一耦合器、第二耦合器、第一环形器、第一光纤光栅阵列和光纤延迟线构成的幅度控制器，以及由第二环形器和第二光纤光栅阵列构成的相位控制器。幅度控制器，用于实现波长选择和所选谱线幅度控制的功能；相位控制器，用于实现波长选择和所选谱线相位控制的功能。光纤光栅阵列由光纤布拉格光栅及光纤拉伸器组成，通过对光学频率梳的频谱整形得到全光任意波形的输出。通过调整两个光纤光栅阵列中的光纤拉伸器就可以实现对输入光学频率梳的不同谱线的幅度和相位的调整，从而得到所需波形的光脉冲输出。本发明无需准直控制、结构简单，易于实现。

Description

基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器及整形方法

技术领域

本发明涉及光脉冲整形器及其整形方法，特别是基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器及其整形方法。

背景技术

随着超快光学技术的发展，已经能够产生皮秒和飞秒时间尺度上的光脉冲，并且在超快时间分辨光谱学，高精确的频率计量等领域得到了广泛的应用。但是许多应用还要求超快的光脉冲、任意波形的光脉冲，这使得任意波形光脉冲产生技术得到了很快的发展，对脉冲压缩，光纤通信中的色散补偿，量子力学过程的相干激光控制等技术产生了重大的影响。任意波形光脉冲产生技术仍处于研究的初级阶段，但在许多领域有着潜在的应用前景，如高分辨率相干控制光谱学，T比特每秒的高速光通信系统，宽带脉冲传感，光雷达系统，任意微波信号产生等。

任意波形光脉冲产生就是在超短光脉冲技术的基础上，通过控制光脉冲空间位置、幅度、相位等可调谐变量来进行整形。任意波形光脉冲的产生方法可以分为两种技术：直接时域合成和通过频域控制合成两种方法。时域方法使用多个延迟线产生多个延迟光脉冲来合成目标光脉冲；在通过频域控制合成目标波形系统中，典型的是利用衍射光栅、阵列波导光栅、光纤布拉格光栅或色散光纤分离不同波长的谱线，然后用空间光调制器或光电调制器独立地操纵每条谱线的幅度和相位，这类系统存在较高的耦合损耗，其中利用空间光调制器的OAWG系统体型笨重还需要复杂的准直控制。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，即对每一条谱线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所需要的光脉冲信号。

发明内容

本发明目的是解决全光任意波形产生系统存在较高的耦合损耗的问题，提供一种基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器及其整形方法。

本发明提供的基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器包括，由第一耦合器、第二耦合器、第一环形器、第一光纤光栅阵列和光纤延迟线构成的幅度控制器，以及由第二环形器和第二光纤光栅阵列构成的相位控制器（如图1所示）；幅度控制器，用于实现波长选择和对所选谱线幅度进行调节；相位控制器，用于实现波长选择和对所选谱线相位进行调节；其中，第一耦合器的第一端口（I）用于输入光学频率梳，第一耦合器的第二端口（N）通过光纤延迟线连接第二耦合器的第一端口（Q），第一耦合器的第三端口（M）连接第一环形器的第一端口（A），第一环形器的第二端口（B）连接第一光纤光栅阵列，第一环形器的第三端口（C）连接第二耦合器的第二端口（P），第二耦合器的第三端口（O）连接第二环形器的第一端口（D），第二环形器的第二端口（E）连接第二光纤光栅阵列，第二环形器的第三端口（F）用于输出波形；所述的光纤光栅阵列是由两组或两组以上的光纤布拉格光栅及光纤拉伸器组成。

上述结构中，控制第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的光纤长度，同时控制光纤延迟线的长度，使输入的对应于第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅中心反射波长的光，通过两条光路从第一耦合器到第二耦合器所产生的光程差小于输入光学频率梳的相干长度，保证进入第二耦合器的对应于第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅中心反射波长的光能够发生干涉。

上述第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中对应的光纤布拉格光栅具有相同的中心反射波长、相等的高反射率，每个光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅的中心反射波长呈等间隔排列且与输入光学频率梳的梳状谱线相对应。

上述输出波形是所需波形的光脉冲。

基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形方法，该方法包括以下步骤：

（1）将光学频率梳通过幅度控制器中的第一耦合器的第一端口（I）输入；

（2）通过幅度控制器和相位控制器对输入光学频率梳进行整形，使得选出的每条谱线的幅度和相位都被调整到与所需波形的幅度谱和相位谱分布一致；

（3）产生的能够动态调节的所需波形的光脉冲由第二环形器的第三端口（F）输出。

上述步骤（2）中对光学频率梳的调整包括对光学频率梳波长的选择，以及对光学频率梳幅度与相位的调整。

上述对光学频率梳波长的选择由第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中的光纤布拉格光栅实现，所选择的波长由光纤布拉格光栅的中心反射波长决定，从输入光学频率梳中选出呈等间隔排列的谱线。

上述对所选谱线幅度的调整由幅度控制器实现，当光纤延迟线的长度确定后，光纤延迟线对所选的谱线产生的相移量随之确定，所以通过调节第一光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，调整进入第二耦合器的两路信号中所选谱线的相位差，就可以控制干涉的效果，最终实现将所选谱线的幅度分布调整到与输出波形谱线的幅度分布一致。

上述对所选谱线相位的调整由相位控制器实现，通过调节第二光纤光栅阵列中的光纤拉伸器调整所选谱线的相移量，使得调整后所选谱线的相位与输出波形谱线的相位分布一致。

本发明的工作原理：

由第一光纤光栅阵列从输入光学频率梳中选出对应其中心反射波长的谱线，通过调节第一光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，调整所选谱线的相移量，就可以控制所选波长的光的干涉效果，即实现对所选谱线幅度的控制。由第二光纤光栅阵列从干涉信号中选择与其中心反射波长相对应的谱线，同时通过调节第二光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，实现对所选谱线的相位的调整。

本发明是关于，基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器及其整形方法，其结构的一个显著特点是控制第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的光纤长度，同时控制光纤延迟线的长度，使得输入的对应于第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅中心反射波长的光，通过两条光路从第一耦合器到第二耦合器所产生的光程差小于输入光学频率梳的相干长度，保证进入第二耦合器的对应于第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅中心反射波长的光能够发生干涉；第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中对应的光纤布拉格光栅具有相同的中心反射波长、相等的高反射率，每个光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅的中心反射波长呈等间隔排列且与输入光学频率梳的梳状谱线相对应。通过幅度控制器和相位控制器对所选谱线的幅度和相位进行调整，从而得到所需波形的光脉冲输出。

本发明的优点和有益效果：

本发明使用光学频率梳作为输入光源，根据所需波形，即目标波形的参数，利用所设计的幅度控制器和相位控制器作为对输入光学频率梳的波长、幅度、相位的控制部分，通过对光学频率梳的频谱整形得到所需波形的光脉冲输出。

本发明无需准直控制、结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的结构示意图。其中λ_n、λ′_n分别表示第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中第n（n=1，2，3，……）个光纤布拉格光栅的中心反射波长，FS_n、FS′_n分别表示第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中第n（n=1，2，3，……）个光纤拉伸器。

图2为本发明实施例1所涉及的基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的工作效果图，即产生的重复频率为125GHz的可以动态调节的高斯波形光脉冲。

图3为本发明实施例2所涉及的基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的工作效果图，即产生的重复频率为125GHz可以动态调节的底边宽度为4ps的三角波形光脉冲。

图4为本发明实施例3所涉及的基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的工作效果图，即产生的一种重复频率为125GHz的、复杂的、可以动态调节的波形的光脉冲序列，这种波形在一个周期内含有4个高斯波形，并且经历的时延分别为0ps、1.44ps、3.68ps、6.08ps，幅值分别为0.3、0.5、0.8、1，全高半宽分别为：0.2ps、0.3ps、0.4ps、0.45ps。

图中，1是第一耦合器，2是第二耦合器，3是第一环形器，4是第一光纤光栅阵列，5是光纤延迟线，6是第二环形器，7是第一光纤光栅阵列，8是光学频率梳。

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步的说明。

具体实施方式

实施例中所述第一环形器和第二环形器的插入损耗为0.8dB，第一耦合器的分光比为0.55，第二耦合器的分光比为0.5，第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅的反射率都为1，输入光学频率梳中各个谱线的幅度为1，初始相位为0。

实施例1：

如图1所示，一种基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器，它包括：由第一耦合器、第二耦合器、第一环形器、第一光纤光栅阵列和光纤延迟线构成的幅度控制器，以及由第二环形器和第二光纤光栅阵列构成的相位控制器；幅度控制器，用于实现波长选择和对所选谱线幅度进行调节；相位控制器，用于实现波长选择和对所选谱线相位进行调节；其中，第一耦合器的第一端口（I）用于输入光学频率梳，第一耦合器的第二端口（N）通过光纤延迟线连接第二耦合器的第一端口（Q），第一耦合器的第三端口（M）连接第一环形器的第一端口（A），第一环形器的第二端口（B）连接第一光纤光栅阵列，第一环形器的第三端口（C）连接第二耦合器的第二端口（P），第二耦合器的第三端口（O）连接第二环形器的第一端口（D），第二环形器的第二端口（E）连接第二光纤光栅阵列，第二环形器的第三端口（F）用于输出重复频率为125GHz(周期8ps)的高斯波形光脉冲；所述光纤光栅阵列是由19组光纤布拉格光栅及光纤拉伸器组成。

上述第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中对应的光纤布拉格光栅具有相同的中心反射波长，每个光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅的中心反射波长呈等间隔排列且与输入光学频率梳的梳状谱线相对应。

（3）产生的重复频率为125GHz(周期8ps)的高斯波形光脉冲由第二环形器的第三端口（F）输出。

上述对所选谱线幅度的调整由幅度控制器实现，当光纤延迟线的长度确定后，光纤延迟线对所选的19条谱线产生的相移量（n=1，2，3……19）随之确定，所以通过调节第一光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，调整进入第二耦合器的两路信号中所选19条谱线的相位差（n=1，2，3……19），控制干涉的效果，最终实现所选19条谱线的幅度分布调整到与输出波形谱线的幅度分布一致。

上述对所选谱线相位的调整由相位控制器实现，通过调节第二光纤光栅阵列中的光纤拉伸器调整所选19条谱线的相移量（n=1，2，3……19），使得调整后所选19条谱线的相位与输出波形谱线的相位分布一致。

基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的参数见表1。

表1、光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的参数

上述基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器产生的重复频率为125GHz(周期8ps)的高斯波形光脉冲，如图2所示。

实施例2：

一种基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器，其具体结构类似于实施例1的结构。与实施例1相比，其不同之处在于：第二环形器的第三端口（F）用于输出重复频率为125GHz(周期8ps)底边宽度为4ps的三角波形光脉冲，所述光纤光栅阵列是由23组光纤布拉格光栅及光纤拉伸器组成。

一种基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形方法，该方法包括以下步骤：

（3）产生的重复频率为125GHz(周期8ps)底边宽度为4ps的三角波形光脉冲由第二环形器的第三端口（F）输出。

上述对所选谱线幅度的调整由幅度控制器实现，当光纤延迟线的长度确定后，光纤延迟线对所选的23条谱线产生的相移量（n=1，2，3……23）随之确定，所以通过调节第一光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，调整进入第二耦合器的两路信号中所选23条谱线的相位差（n=1，2，3……23），控制干涉的效果，最终实现所选23条谱线的幅度分布调整到与输出波形谱线的幅度分布一致。

上述对所选谱线相位的调整由相位控制器实现，通过调节第二光纤光栅阵列中的光纤拉伸器调整所选23条谱线的相移量（n=1，2，3……23），使得调整后所选23条谱线的相位与输出波形谱线的相位分布一致。

基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的参数见表2。

表2、光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的参数

上述基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器产生的重复频率为125GHz(周期8ps)底边宽度为4ps的三角波形光脉冲，如图3所示。

实施例3：

一种基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器，其具体结构类似于实施例1的结构。与实施例1相比，其中不同之处在于：第二环形器的第三端口（F）用于输出一个周期包含4个具有不同全高半宽度、不同幅值、经历不同时延的高斯波形的重复频率为125GHz(周期8ps)的光脉冲，所述光纤光栅阵列是由31组光纤布拉格光栅及光纤拉伸器组成。

（3）产生的一个周期包含4个具有不同全高半宽度、不同幅值、经历不同时延的高斯波形的重复频率为125GHz(周期8ps)的光脉冲由第二环形器的第三端口（F）输出。

上述对所选谱线幅度的调整由幅度控制器实现，当光纤延迟线的长度确定后，光纤延迟线对所选的31条谱线产生的相移量（n=1，2，3……31）随之确定，所以通过调节第一光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，调整进入第二耦合器的两路信号中所选31条谱线的相位差（n=1，2，3……31），控制干涉的效果，最终实现所选31条谱线的幅度分布调整到与输出波形谱线的幅度分布一致。

上述对所选谱线相位的调整由相位控制器实现，通过调节第二光纤光栅阵列中的光纤拉伸器调整所选31条谱线的相移量（n=1，2，3……31），使得调整后所选31条谱线的相位与输出波形谱线的相位分布一致。

基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的参数见表3。

表3、光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的参数

上述基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器产生的一种重复频率为125GHz的、复杂波形的光脉冲，这种波形在一个周期内含有4个高斯波形，并且经历的时延分别为0ps、1.44ps、3.68ps、6.08ps，幅值分别为0.3、0.5、0.8、1，全高半宽分别为：0.2ps、0.3ps、0.4ps、0.45ps，输出波形如图4所示。

Claims

1.基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器，其特征在于它包括：由第一耦合器(1)、第二耦合器(2)、第一环形器(3)、第一光纤光栅阵列(4)和光纤延迟线(5)构成的幅度控制器，以及由第二环形器(6)和第二光纤光栅阵列(7)构成的相位控制器；幅度控制器，用于实现波长选择和对所选谱线幅度进行调节；相位控制器，用于实现波长选择和对所选谱线相位进行调节；其中，第一耦合器的第一端口(I)用于输入光学频率梳(8)，第一耦合器的第二端口(N)通过光纤延迟线连接第二耦合器的第一端口(Q)，第一耦合器的第三端口(M)连接第一环形器的第一端口(A)，第一环形器的第二端口(B)连接第一光纤光栅阵列，第一环形器的第三端口(C)连接第二耦合器的第二端口(P)，第二耦合器的第三端口(O)连接第二环形器的第一端口(D)，第二环形器的第二端口(E)连接第二光纤光栅阵列，第二环形器的第三端口(F)用于输出波形；所述的光纤光栅阵列是由两组或两组以上的光纤布拉格光栅及光纤拉伸器组成；

通过调节第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅之间的光纤长度，同时调节光纤延迟线的长度，使输入的对应于第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅中心反射波长的光，通过两条光路从第一耦合器到第二耦合器所产生的光程差小于输入光学频率梳的相干长度，保证进入第二耦合器的对应于第一光纤光栅阵列中光纤布拉格光栅中心反射波长的光能够发生干涉；所述的第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中对应的光纤布拉格光栅具有相同的中心反射波长、相等的高反射率，同一个光栅阵列中光纤布拉格光栅的中心反射波长呈等间隔排列且与输入光学频率梳的梳状谱线相对应。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器，其特征在于所述输出波形是能够动态调节的所需波形的光脉冲。

3.使用权利要求1所述基于光纤光栅阵列和光纤延迟线的光脉冲整形器的光脉冲整形方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将光学频率梳通过幅度控制器中的第一耦合器的第一端口(I)输入；

(2)通过幅度控制器和相位控制器对输入光学频率梳进行整形，使得选出的每条谱线的幅度和相位都被调整到与所需波形的幅度谱和相位谱分布一致；

(3)产生的能够动态调节的所需波形的光脉冲由第二环形器的第三端口(F)输出；

所述步骤(2)中对光学频率梳的调整包括对光学频率梳波长的选择，及对光学频率梳幅度与相位的调整；所述对光学频率梳波长的选择由第一光纤光栅阵列和第二光纤光栅阵列中的光纤布拉格光栅实现，所选择的波长由光纤布拉格光栅的中心反射波长决定，从输入光学频率梳中选出呈等间隔排列的谱线。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于对所选谱线幅度的调整由幅度控制器实现，当光纤延迟线的长度确定后，光纤延迟线对所选的谱线产生的相移量随之确定，所以通过调节第一光纤光栅阵列中的光纤拉伸器，调整进入第二耦合器的两路信号中所选谱线的相位差，就可以控制干涉的效果，最终实现将所选谱线的幅度分布调整到与输出波形谱线的幅度分布一致。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于对所选谱线相位的调整由相位控制器实现，通过调节第二光纤光栅阵列中的光纤拉伸器调整所选谱线的相移量，使得调整后所选谱线的相位与输出波形谱线的相位分布一致。