CN103956645A - 一种基于受激布里渊散射的快光可调谐装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，所述快光可调谐装置包括光脉冲光源模块、光放大器、光纤环行器、衰减可调谐模块和光纤耦合器。其特点是：由衰减可调谐模块、光纤环形器、光纤耦合器以及一段普通单模光纤构建单向环形谐振腔，光脉冲经光放大器放大后进入谐振腔。当光脉冲功率超过阈值时，腔内产生受激布里渊激光，此时输出光信号相对于输入脉冲光有所提前，实现信号光传输速度的提高。在实现快光的状态下，通过控制衰减可调谐模块实现控制光信号提前量的大小，进而实现调谐光的传播速度。本发明可工作在任意波长，且快光提前时间连续可调，与现代光通信系统兼容性良好。

Description

一种基于受激布里渊散射的快光可调谐装置

技术领域

本发明涉及光信号传输速度控制技术，并构建一种基于受激布里渊散射效应（SBS）的快光可调谐装置。

背景技术

光纤通信由于在大容量、长距离通信中有着其它通信方式无可比拟的优势，在近三十年得到了快速的发展。但是，目前的光纤通信系统中某些关键技术还是通过将光信号转化为电信号来实现，例如信息的存储、路由、开光等。传统的光电转换受转换极限速率限制已渐渐不能满足通信容量的发展需求，下一代通信系统发展的必然方向是全光通信。而全光通信的关键技术之一就是利用光学的手段来控制光速，实现光存储、光交换以及光路由。 

现有研究中有很多介质材料可以实现光延迟：一是通过半导体光放大器来实现光延迟（中国专利：201010120879），此技术手段易与其它半导体光电器件芯片集成，但是只能工作在特定波长范围；二是在光子晶体波导上慢光（中国专利：201010283337，201010251511），此类技术方案具有光子晶体慢光波导带宽大、可阵列集成等优势，但是一般加工工艺复杂，且与光纤的耦合也造成了系统的不稳定性。

在光纤中直接实现控制光速的技术能更好的融合在光通信网络中，其相关技术主要有如下几类：一是利用相干布居振荡（CPO）技术在掺铒光纤中产生快慢光（详见G. M. Gehring, et al., Science  312, 895 (2006)），通过改变掺铒光纤的泵浦功率来实现快慢光的调谐，但响应带宽只有kHz量级，无法满足40Gb/s甚至更高传输速率的高速光通信应用需求；二是利用受激拉曼散射（SRS）实现慢光（详见J. E. Sharping, et al., Opt. Express  13, 6092 (2005)），利用光纤拉曼放大器实现对飞秒脉冲的延迟，但是慢光的绝对延迟量只有100fs量级；三是基于光参量放大技术（OPA）实现慢光（详见D. Dahan, et al., Opt. Express  13, 6234 (2005)），通过强泵浦光与信号光的非线性相互作用实现光速减慢，同时可以进行波长转换且具有较大的响应带宽（~200nm），可以响应10Gb/s量级速率的光通信数据信号，慢光的绝对延迟量可以达到10ps量级；四是利用受激布里渊散射实现快慢光（详见Y. Okawachi, et al., Phys. Rev. Lett. 94, 153902 (2005)），该技术通过泵浦光与信号光的布里渊非线性相互作用实现光速减慢或加快，可工作在任意波长，相对延迟量和提前量比较大，但是光学结构上较为复杂，一般只能通过调节泵浦光功率来实现延迟量或提前量的大小。

目前为止，研究工作大部分集中在对光速的减慢及其可调谐控制上，在光速的加速及其可调谐性能方面未能取得较大的进展。本发明将提出一种基于SBS的快光可调谐装置。

发明内容

为了克服在先技术的缺点，更好地满足全光通信对光存储、光交换以及光路由的要求，本发明提供一种基于受激布里渊散射的快光可调谐装置。

一种基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，其包括：光脉冲光源模块、光放大器、光纤环形器、单模光纤、衰减可调谐模块、光纤耦合器、输出端口、布里渊激光监测端口、控制模块和光放大器控制模块;光脉冲光源模块的尾纤输出和光放大器的第一端口相连，光放大器与光放大器控制模块相连，光放大器的第二端口与光纤环形器的第一端口相连，光纤环形器的第二端口与单模光纤的第一端口相连，单模光纤的第二端口与衰减可调谐模块的第一端口相连，衰减可调谐模块与控制模块相连，衰减可调谐模块的第二端口与光纤耦合器的第一端口相连，光纤耦合器的第二端口与光纤环形器的第三端口相连，闭合形成一个逆时针方向的单向谐振环路；光纤耦合器的第三端口作为整个装置的输出端口，光纤耦合器的第四端口作为布里渊激光的监测端口；此装置可以实现任意波长的光信号传输速度的提高，且可利用多种方式实现光信号快光提前量的调谐。

进一步优化的，所述的光脉冲光源模块线宽小于1MHz。

进一步优化的，所述的衰减可调谐模块，用于调节谐振腔损耗，实现光信号传输速度的调谐。

进一步优化的，衰减可调谐模块可以直接选用光纤锥结构或者是进行镀膜等加工后的光纤锥结构，或者采用其他损耗可调的光器件。所述的控制模块，主要用于控制衰减可调谐模块的插入损耗。若衰减可调谐模块选用光纤锥结构，那么对应的控制模块为光纤锥周围空气或溶液的折射率、湿度、气氛等环境因子；若衰减可调谐模块选择为其他光器件，则对应的控制模块为相应光器件的控制模块。

所述的光脉冲光源模块为窄线宽的脉冲激光光源，要求稳定性良好，一般采用窄线宽激光光源进行强度调制而得。

所述的光纤环行器是一个三端口光纤环行器。

所述光放大器，可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA）；

所述光放大器控制模块，对应为电流驱动电路，用于调整EDFA放大系数。

所述的单模光纤，跟选择的光脉冲光源有关，所选单模光纤的传输带宽必须覆盖光源的工作波长；所述的衰减可调谐模块，可以选用光纤锥结构，通过调整光纤锥周围环境调节光纤锥的插入损耗，或者采用其他损耗可调的光学器件。

所述的光纤耦合器，工作波长处于光脉冲光源工作波长范围内，选择合适的分光比，其中两个端口作为激光谐振腔的构成部分，另两个端口分别作为布里渊激光输出、光脉冲信号输出端口。

与现有技术相比，本发明的优点和效果是：

（1）本发明的基于SBS的快光可调谐装置，无需注入另一路泵浦光来相互作用进而实现信号光的提前，只需直接注入信号光即可，从而实现结构上的简化和紧凑。

（2）本发明的基于SBS的快光可调谐装置，可工作在任意波长，且快光提前时间连续可调，与现代光通信系统兼容性良好。

（3）本发明的基于SBS的快光可调谐装置，可通过多种操作简单的技术手段进行快光提前量的连续调谐，进而实现对信号光传输速度的调谐。

附图说明

图1 为基于SBS的快光可调谐装置实现快光调谐的实验结果图；

图2 为基于SBS的快光可调谐装置出现二阶斯托克斯光的光谱图；

图3 为本发明的基于SBS的快光可调谐装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图3，为基于SBS的快光可调谐装置结构示意图，其中光脉冲光源模块1的尾纤输出和光放大器2的第一端口201相连，光放大器2与光放大器控制模块10相连，光放大器的第二端口202与光纤环形器3的第一端口301相连，光纤环形器3的第二端口302与单模光纤4的第一端口401相连，单模光纤4的第二端口402与衰减可调谐模块5的第一端口501相连，衰减可调谐模块5与控制模块9相连，衰减可调谐模块5的第二端口502与光纤耦合器6的第一端口601相连，光纤耦合器6的第二端口602与光纤环形器3的第三端口303相连，闭合形成一个逆时针方向的单向谐振环路；光纤耦合器6的第三端口603作为整个装置的输出端口7，光纤耦合器6的第四端口604作为布里渊激光的监测端口8。

各器件模块的功能和实现举例如下：

光脉冲光源模块1为窄线宽的脉冲激光光源，工作波长一般选择在光通信波段，要求单纵模运转无跳模现象，且线宽小于1MHz。

光放大器2，主要用于对光脉冲进行功率放大，可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA）。

光纤环行器3，为三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。

单模光纤4，为激光谐振腔提供增益，作为快光介质，其传输带宽必须覆盖光源中心波长，选择有效模场直径较小的光纤或增大接入光纤的长度可有效降低谐振腔阈值。

衰减可调谐模块5，用于调节谐振腔损耗，可以是光纤锥结构，通过改变光纤锥周围折射率，从而改变光纤锥插入损耗；亦可以对光纤锥进行镀膜，通过改变光纤锥周围湿度、气氛等物理环境来调节损耗，从而实现快光提前量大小的调谐；此处光纤锥也可以由其他损耗可调的光器件来代替。

光纤耦合器6，主要用于耦合输出激光，光纤耦合器为2×2的光纤耦合器，中心波长处于光通信波段，分光比为10:90，其中两个90%的端口作为激光谐振腔的构成部分，两个10%的端口分别作为布里渊激光输出、光脉冲信号输出端口，也可按照实际情况选择更合适分光比的耦合器。

控制模块9，与选择的衰减可调谐模块有关，若选择光纤锥结构，则只需控制光纤锥周围的环境如折射率等，若镀上相应的膜则需调节对应的环境因素（湿度、气氛等）；若选择其他光器件，则对应的控制模块为相应光器件的控制模块。

光放大器控制模块10，用于控制EDFA驱动电路的电流，从而实现对EDFA放大系数的控制。

本快光可调谐装置的基本原理如下：构建单向光纤环形谐振腔，主要器件有环形器、衰减可调谐模块、光纤耦合器和一段普通单模光纤，其中单模光纤用作布里渊增益介质，为整个谐振腔提供增益；衰减可调谐模块用于调节谐振腔损耗，从而调节光信号的提前量；环形器用于构建逆时针运转的单向环形谐振腔；光纤耦合器用于提取光信号以及监测布里渊激光的输出。在注入光脉冲功率未达到谐振腔阈值状态下，输出光与输入信号光存在固有光延迟（与脉冲光传输经过一段固有的光纤长度有关），光信号未出现提前。当注入信号光功率超过阈值时，输出光信号相对于输入光信号有所提前，实现光信号传输速度的加快。

在初始状态下，向上述的单向环形谐振腔内注入光脉冲信号，增大注入光脉冲功率，超过谐振腔内受激布里渊阈值时，信号光的能量将转移到一阶斯托克斯光，信号光经历衰减过程。根据Kramers-Kronig关系，介质在某波长处存在增益或吸收峰，会导致光群折射率的剧烈改变，最终使信号光的群速度也发生剧烈改变。在此单向环形谐振腔中，信号光经历衰减过程中实现相对于输入信号光的提前，出现“快光”，继续增大注入功率，提前量将随之增大，如图1所示。继续增大注入功率，当注入功率达到二阶受激布里渊阈值时，腔内将出现二阶斯托克斯光，输出信号光的提前量将不再随注入功率的增大而提高，输出端口的光谱图如图2所示，可以看出二阶斯托克斯光的强度与信号光相近，说明此时一阶斯托克斯光能量已经大部分转移到二阶斯托克斯光上，用于与信号光作用的一阶斯托克斯光能量急剧减少，基于布里渊非线性效应的信号光快光效应减弱，出现提前量的“饱和”。

在“饱和”状态下，调节谐振腔内衰减可调谐模块，连续改变腔内损耗，可实现快光提前量大小的连续可调谐，从而实现对信号光传输速度的调谐。在不改变系统其他条件的情况下，增大谐振腔损耗，快光提前量开始减小，直至提前量减为零，回到未达阈值状态。具体实验结果如图1所示，实验中采用中心波长1550nm、重复频率为500kHz的正弦光脉冲，完全实现光脉冲的提前及提前量的可调谐。

此方案是基于布里渊非线性效应，增益介质选为通信波段普通单模光纤，因此对信号光的工作波长无特定要求，但由于普通光纤布里渊增益谱线宽大约为35MHz，因此对注入信号激光的线宽和稳定性有较高要求，要求注入激光单纵模运转且无跳模现象，线宽要求小于1MHz。

如图3所示，在光纤环形谐振腔内，接入单模光纤和衰减可调谐模块，其中单模光纤3用作增益介质，提供布里渊增益；衰减可调谐模块5用于调节环形谐振腔内损耗；光脉冲光源模块1注入光放大器2进行放大后进入谐振腔，腔内产生布里渊激光振荡，实现信号脉冲光提前，衰减可调谐模块5可有效调控腔内增益介质提供的增益，最终实现信号脉冲光提前量的调谐。

以下再进一步说明具体实施的步骤:

1、按如图3所示的示意图以及上述的器件构建基于SBS的快光可调谐装置。

2、调节光脉冲光源模块1调制电压，获得所需的光脉冲，光脉冲经光放大器2注入环形谐振腔。

3、初始状态下，光脉冲功率未达到谐振腔阈值，光脉冲未能实现提前，在输出端口7可得到与输入光信号存在固有延迟的脉冲光。

4、调节光放大器控制模块，增大光放大器的放大系数，注入环形腔的光脉冲功率增大，超过谐振腔阈值时，在输出端口7可得到相对于输入脉冲光有所提前的光脉冲信号，实现对光信号传输速度的加快。

5、调节光放大器控制模块，控制光放大器的放大系数，可实现快光提前量大小的连续调谐，进而实现对信号光传输速度的调谐。

6、在不改变光放大器的放大系数及装置内其他条件的情况下，改变光纤锥周围空气或溶液的折射率，此时光纤锥引入的损耗随之变化，快光提前量亦随之改变。移除施加的折射率环境，即可恢复原快光提前量和信号光传输速度。

Claims (5)

1.一种基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，其特征在于包括：光脉冲光源模块（1）、光放大器（2）、光纤环形器（3）、单模光纤（4）、衰减可调谐模块（5）、光纤耦合器（6）、输出端口（7）、布里渊激光监测端口（8）、控制模块（9）和光放大器控制模块（10）;光脉冲光源模块（1）的尾纤输出和光放大器的第一端口（201）相连，光放大器（2）与光放大器控制模块（10）相连，光放大器的第二端口（202）与光纤环形器的第一端口（301）相连，光纤环形器的第二端口（302）与单模光纤的第一端口（401）相连，单模光纤的第二端口（402）与衰减可调谐模块的第一端口（501）相连，衰减可调谐模块（5）与控制模块（9）相连，衰减可调谐模块的第二端口（502）与光纤耦合器的第一端口（601）相连，光纤耦合器的第二端口（602）与光纤环形器的第三端口（303）相连，光纤环形器（3）、单模光纤（4）、衰减可调谐模块（5）、光纤耦合器（6）构成一个逆时针方向的单向谐振环路；光纤耦合器的第三端口（603）作为整个装置的输出端口（7），光纤耦合器的第四端口（604）作为布里渊激光的监测端口（8）。

2.如权利要求1所述的基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，其特征在于，所述的光脉冲光源模块（1）线宽小于1MHz。

3.如权利要求1所述的基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，其特征在于，所述的衰减可调谐模块（5），用于调节谐振腔损耗，实现光信号传输速度的调谐。

4.如权利要求1所述的基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，其特征在于，衰减可调谐模块（5）采用光纤锥结构或者是进行镀膜后的光纤锥结构，或者采用其他损耗可调的光器件。

5.如权利要求4所述的基于受激布里渊散射的快光可调谐装置，其特征在于，所述的控制模块（9）用于控制衰减可调谐模块（5）的插入损耗，若衰减可调谐模块（5）选用光纤锥结构，那么对应的控制模块为光纤锥周围空气或溶液的折射率、湿度、气氛的环境因子；若衰减可调谐模块（5）为其他光器件，则对应的控制模块为相应光器件的控制模块。