CN104037599A - 一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电子设备技术领域，特别涉及一种可产生多种光孤子的装置。其结构有偏振控制器(1)、1×N光开关(2)、光纤组(3)、1×N光耦合器(4)、色散补偿光纤(5)、光隔离器(6)、掺镱光纤(7)、光波分复用器(8)、泵浦光源(9)、可饱和吸收体(10)和1×2光耦合器(11)，本发明能够在一个被动锁模掺镱光纤激光器系统中，得到抛物线形耗散孤子单脉冲、双曲正割形光孤子单脉冲以及这两种光脉冲的束缚态多孤子等多种类型的光孤子，在不同类型光孤子间进行切换时，不需要改动光路结构，切换速度极快。

Description

一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置

技术领域

本发明属于光电子设备技术领域，特别涉及一种可产生多种光孤子的装置。

背景技术

光孤子是一种特殊形式的超短光脉冲，它在传播的过程中形状、幅度和速度都维持不变。光孤子的特点决定了它在通信领域有着广泛的应用前景，首先它的通信容量大：传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上，其次误码率低、抗干扰能力强：光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10－12的无差错光纤通信，再次可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。锁模光纤激光器作为光孤子的发生源，在过去的十几年中得到了极大的发展，大量的研究工作主要围绕掺铒光纤和掺钕光纤进行。近年来，研究的热点开始转向被动锁模掺镱光纤激光器的研究。同其他掺杂粒子相比，以镱元素作为增益粒子的掺镱光纤具有量子效率高，没有基态和激发态吸收，上能级寿命长，吸收谱宽，在951nm和976nm处具有吸收峰，高掺杂时无浓度淬灭，便于半导体激光器抽运等优点，将取代掺钕光纤，成为1um波段的主要工作物质。在超短脉冲方面，其增益带宽可达40nm，可支持小于30fs的变换极限脉冲。

光孤子在被动锁模掺镱光纤激光器中的形成是其光纤谐振腔中增益、损耗、非线性(自相位调制)及色散等因素共同作用的结果。如果被动锁模掺镱光纤激光器光纤谐振腔内总群速度色散为负数，则当群速度色散(GVD)和自相位调制(SPM)达到平衡时，会在激光器的输出端产生一种双曲正割形基态光孤子脉冲，其特点是脉宽窄、瞬时最大功率高，但单脉冲能量小，平均功率低。

当通过提高锁模光纤激光器泵浦功率进而增大其输出平均功率时，这种双曲正割形基态光孤子脉冲会在平均功率增大到一个临界值后产生光波分裂，从而使激光器不能保持锁模状态，破坏光孤子的形成。理论上，当输出光孤子平均功率增大时，激光器光纤谐振腔内的SPM作用随之增大，如果SPM作用增大到GVD作用不能将其平衡时，光孤子存在的条件将不被满足，所以产生了这种光波分裂的现象。为了得到较高输出平均功率的光孤子脉冲输出，而又不产生光波分裂现象，就要调整被动锁模光纤激光器光纤谐振腔内的总群速度色散，使其为正数，这样就能在激光器的输出端产生一种抛物线形高能量耗散孤子脉冲，这种孤子脉冲的特点是脉宽相对较宽、瞬时最大功率高，单脉冲能量高、平均功率高。当然这种抛物线形耗散孤子脉冲也不可能随着平均功率的增大一直保持其孤子状态，当平均功率的增大到一定程度，这种光孤子也会产出光波分裂的现象，只不过这种抛物线形耗散孤子脉冲比双曲正割形光孤子脉冲产生光波分裂所需的临界平均功率要大的多。

抛物线形耗散孤子脉冲、双曲正割形光孤子脉冲以及这两种光孤子临界区域内的孤子演化特性是目前被动锁模掺镱光纤激光器的研究热点，国内外有很多研究机构在从事这方面的研究和实验。在以往的实验中需要搭建不同的系统来产生这两种不同类型的光孤子，这样做的缺点在于就算两套系统采用型号完全相同的光器件进行组建，其每个对应器件的参数也不可能完全一致，另外这两个系统中器件间相互连接时的插入损耗、两系统光纤谐振腔内光的偏振状态等也都不相同，这样就不能在尽可能相同的实验条件下研究抛物线形耗散孤子脉冲和双曲正割形光孤子脉冲的特性，以及不同的激光器光纤谐振腔内二阶群速度色散系数对激光器输出孤子特性的影响，尤其是不能研究两种孤子临界区域内的特性。并且所有上述实验系统的实验结果都不具备可重复性，当光路改变时激光器的输出结果就不可能重现了。

目前已公开的技术中，一个系统只能产生单一形态的光孤子，要想得到多种形态的光孤子，必须要重新改变系统结构，替换系统器件，这种替换一般需要光纤切割器、光纤熔接器等，操作繁琐，费时费力，当完成替换之后，往往由于实验环境已经改变了，得出的结果跟之前的实验结果已经失去了比较的意义了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有光孤子产生系统只能产生单一形态光孤子、重复性差等缺点，提供一种能产生多种类型光孤子、不同类型光孤子之间切换方便、环境参数一致、结果稳定的光孤子产生装置。

本发明的技术问题通过以下技术方案解决：

一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置，其特征在于，1×N光开关2的公共输入端通过带偏振控制器1的单模光纤与1×2光耦合器11的90％输出端相连，1×N光开关2的N个输出端分别通过光纤组3中的N条不同的单模光纤与1×N光耦合器4的N个输入端相连，所述的光纤组3是由N条长度不同的单模光纤构成的，1×N光耦合器4的公共输出端通过色散补偿光纤5与光隔离器6的光输入端相连，光隔离器6的光输出端通过掺镱光纤7与光波分复用器8的公共端相连，光波分复用器8的980nm端与泵浦光源9的输出端相连，光波分复用器8的1060nm端与可饱和吸收体10的一端相连，可饱和吸收体10的另一端和1×2光耦合器11的公共输入端相连，1×2光耦合器11的10％输出端作为总输出端；所述的N是2～16的整数。

各元件可以使用现有商业产品。

所述的泵浦光源9优选980nm激光光源。

所述的光纤组3中各单模光纤的长度优选2m～8.5m；所述的色散补偿光纤5的长度优选5m～6m；所述的掺镱光纤7的长度优选0.4m～0.5m；所述的带偏振控制器1的单模光纤长度优选0.1m。

本发明的光路分为两部分：

第一路光给掺镱光纤提供能级跃迁的能量，这路光的传播方向在图1中是逆时针的，由泵浦光源9发出。泵浦光源9连接到光波分复用器8的980nm端，将泵浦光源发出的激光引入到激光器的光纤谐振腔内(也就是图1中所示的环路中)。光波分复用器8的公共端连接到掺镱光纤7，让掺镱光纤吸收到泵浦源发出的激光能量，使其中的镱离子从低能级跃迁到高能级。掺镱光纤7连接到光隔离器6的光输出端，光隔离器6允许光通过的方向是图1中的顺时针方向，因此在光隔离器6的位置，第一路光被从光纤谐振腔中隔离掉了，以免影响另一路激光的运行。

第二路光在图1所示的被动锁模掺镱光纤激光器光纤谐振腔中顺时针循环运行，在SPM和GVD的共同作用下形成光孤子脉冲输出。第二路光产生于掺镱光纤7中的镱离子因自发或受激由不稳定的高能级跃迁到低能级时所释放的能量。掺镱光纤7连接到光波分复用器8的公共端，光波分复用器8的作用是使第一路光和第二路光互不影响，这样第二路光可从光波分复用器8的1060nm端输出。光波分复用器8的1060nm端连接到可饱和吸收体10的一端，可饱和吸收体10能够使光脉冲产生窄化。可饱和吸收体10的另一端连接到1×2光耦合器11的公共输入端，将第二路光分成两部分，一部分光孤子在其10％输出端输出，另一部分光孤子继续在激光器的光纤谐振腔内循环。1×2光耦合器11的90％输出端通过一段带有偏振控制器1的普通单模光纤连接到1×N光开关2的公共输入端，1×N光开关2的各个输出端分别连接光纤组3中的不同普通单模光纤上，这样利用1×N光开关2可以选择激光经过光纤组3中哪一路普通单模光纤继续在激光器的光纤谐振腔中进行循环。光纤组3中的N条普通单模光纤通过1×N光纤耦合器4合为一路连接到色散补偿光纤5的一端。色散补偿光纤5的另一端连接到光隔离器6的光输入端，由此形成一个闭合的光回路，使第二路光在这个回路中不断循环，最终在本发明的总输出端(即1×2光耦合器的10％输出端)产生光孤子脉冲。

本发明在光纤谐振腔中的各段光纤满足不同条件时，可产生抛物线形耗散孤子单脉冲、双曲正割形光孤子单脉冲以及这两种光脉冲的束缚态多孤子等多种类型的光孤子。设掺镱光纤7的长度为L^gain、其二阶色散系数为光纤组3中被选中连入光纤谐振腔的普通单模光纤长度为L^SMF、其二阶色散系数为色散补偿光纤5的长度为L^DC、其二阶色散系数为则光纤谐振腔的总二阶色散系数 ${\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{net}}=\frac{{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{gain}}\·L^{\mathrm{gain}}+{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{SMF}}\·L^{\mathrm{SMF}}+{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{DC}}\·L^{\mathrm{DC}}}{L^{\mathrm{gain}}+L^{\mathrm{SMF}}+L^{\mathrm{DC}}}.$ 通过选中光纤组3中不同长度的光纤接入光纤谐振腔就可以得到光纤谐振腔的不同的平均二阶色散系数当小于零时，被动锁模掺镱光纤激光器将输出双曲正割形光孤子单脉冲；当大于零时，被动锁模掺镱光纤激光器将输出抛物线形耗散孤子单脉冲；在处于零附近时，则会出现上述两种光脉冲的束缚态多孤子，由此，本发明可产生多种不同形式的孤子输出结果，并且可以用于研究不同对激光器输出光孤子特性的影响。

本发明一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置有以下有益效果：

1、本发明能够在一个被动锁模掺镱光纤激光器系统中，得到抛物线形耗散孤子单脉冲、双曲正割形光孤子单脉冲等不同参数的光孤子。

2、本发明在不同类型光孤子间进行切换时，不需要改动被动锁模掺镱光纤激光器系统的光路结构，且切换速度极快，从而能够确保在得到这些光孤子时实验环境条件、系统各个器件的参数、各个器件间的插入损耗、及光纤谐振腔中光的偏振方向等实验条件均保持不变。

附图说明：

图1是本发明一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置的整体结构框图。

图2是本发明一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置产生的耗散孤子。

图3是本发明一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置产生的普通光孤子。

具体实施方式

结合附图，说明本发明各部分光路的具体结构及使用方法。

实施例1系统整体结构，各元件优选的参数已标注于元件后面的括号中。

1×N光开关2(OZ-OPTICS公司生产的型号为MFOS-12-9/125-S-1060-3U的全光纤光开关)的公共输入端通过带偏振控制器1(OZ-OPTICS公司生产的HFPC-11-1064-S-9/125-3U全光纤偏振控制器)的单模光纤与1×2光耦合器11(OZ-OPTICS公司生产，型号为FUSED-12-1064-7/125-90/10-3U-3mm，分光比为90:10)的90％输出端相连，1×N光开关2的N个输出端分别通过光纤组3中的N条不同的单模光纤与1×N光耦合器4(OZ-OPTICS公司生产的型号为FUSED-12-1060-7/125-50/50-3U-3mm的光纤耦合器)的N个输入端相连，所述的光纤组3是由N条长度不同的普通单模光纤(FIBERCORE公司的SM1500型普通单模光纤)构成的，1×N光耦合器4的公共输出端通过色散补偿光纤5(THORLABS公司的DCF38色散补偿光纤，6米)与光隔离器6(THORLABS公司IO-H-1064B单模光隔离器)的光输入端相连，光隔离器6的光输出端通过掺镱光纤7(FIBERCORE公司DF1100掺镱光纤，0.5米)与光波分复用器8(COMCORE公司980/1060nm单模光纤波分复用器)的公共端相连，光波分复用器8的980nm端与泵浦光源9(OCLARO公司的LC962U型泵浦源，中心波长980nm，最大单模输出光功率为750mW)的输出端相连，光波分复用器8的1060nm端与可饱和吸收体10(德国BATOP公司SA-1064-25-2ps-FC/PC可饱和吸收体)的一端相连，可饱和吸收体10的另一端和1×2光耦合器11的公共输入端相连，1×2光耦合器11的10％输出端作为本发明的总输出端；所述的N可以是2～16的整数。

实施例2一种可以产生双孤子(普通孤子和耗散孤子)的实施例

如图1所示，本实施例中，N取2，第一路光给掺镱光纤提供能级跃迁的能量，这路光的传播方向在图1中是逆时针的，由泵浦光源9(OCLARO公司的LC962U型泵浦源，中心波长980nm，最大单模输出光功率为750mW)发出。泵浦光源9连接到光波分复用器8(COMCORE公司980/1060nm单模光纤波分复用器)的980nm端，将泵浦光源发出的激光引入到光纤谐振腔内。光波分复用器8的公共端连接到掺镱光纤7(FIBERCORE公司DF1100掺镱光纤，0.5米)，让掺镱光纤吸收到泵浦源发出的激光能量，使其中的镱离子从低能级跃迁到高能级。掺镱光纤7连接到光隔离器6(THORLABS公司IO-H-1064B单模光隔离器)的光输出端，光隔离器允许光通过的方向是图1中的顺时针方向，因此在光隔离器的位置，第一路光被从光纤谐振腔中隔离掉了，以免影响另一路激光的运行。

第二路光在图1所示的光纤谐振腔中顺时针循环运行，在SPM和GVD的共同作用下形成光孤子脉冲输出。第二路光产生于掺镱光纤中的镱离子因自发或受激由不稳定的高能级跃迁到低能级时所释放的能量，波长为1060nm。掺镱光纤7连接到光波分复用器8的公共端，光波分复用器的作用是使第一路光和第二路光互不影响，这样第二路光可从光波分复用器8的1060nm端输出到可饱和吸收体10(德国BATOP公司SA-1064-25-2ps-FC/PC可饱和吸收体)的一端，可饱和吸收体能够使光脉冲产生窄化。可饱和吸收体10的另一端连接到1×2光耦合器11(OZ-OPTICS公司生产，型号为FUSED-12-1064-7/125-90/10-3U-3mm，分光比为90:10)的公共输入端，1×2光耦合器11将第二路光分成两部分，一部分光孤子在其10％输出端输出，另一部分光孤子继续在光纤谐振腔内循环。1×2光耦合器11的90％输出端通过一段带有偏振控制器1(OZ-OPTICS公司生产的HFPC-11-1064-S-9/125-3U全光纤偏振控制器)的10cm长的普通单模光纤(FIBERCORE公司生产，型号SM1500)连接到1×2光开关2(OZ-OPTICS公司生产的型号为MFOS-12-9/125-S-1060-3U的1×2全光纤光开关)的公共输入端，1×2光开关2的2个输出端分别连接光纤组3中的2条普通单模光纤上，这样利用1×2光开关2可以选择激光经过哪一路普通单模光纤继续在激光器的光纤谐振腔中进行循环。在本实施例中光纤组3的两条普通单模光纤长度分别为8.5米和3.5米(FIBERCORE公司的SM1500型普通单模光纤)。光纤组3中的2条普通单模光纤通过1×2光纤耦合器4(OZ-OPTICS公司生产的型号为FUSED-12-1060-7/125-50/50-3U-3mm，分光比为50:50的1×2光纤耦合器)合为一路连接到色散补偿光纤5(THORLABS公司的DCF38色散补偿光纤，6米)的一端。色散补偿光纤5的另一端连接到光隔离器6的光输入端，由此形成一个闭合的光回路。

当1×2光开关2选取光纤组3中的8.5米长普通单模光纤时本发明输出的是耗散孤子，如附图2所示。图中实线为激光器输出耗散孤子的时域波形，虚线是对其进行的抛物线形拟合，两者基本吻合，说明该光脉冲是耗散孤子。

当1×2光开关2选取光纤组3中的3.5米长普通单模光纤时，本发明输出的是普通光孤子，如附图3所示。图中实线为激光器输出普通光孤子的时域波形，虚线是对其进行的双曲正割形拟合，两者基本吻合，说明该光脉冲是普通光孤子。

实施例3一种可以产生8种普通光孤子的实施例

参照图1及实施例1，本实施例中，N取8。将实施例1中的色散补偿光纤5由6m改为5m，型号不变；掺镱光纤7由0.5m改成0.4m，型号不变；1×N光开关2由1×2光开关改成型号为MFOS-18-9/125-S-1060-3U(OZ-OPTICS公司生产)的1×8全光纤光开关；1×N光耦合器4由1×2光耦合器改为型号为SP-1064nm-AV-1×8-S302(BC-OPTICS公司生产)的1×8光耦合器；光纤组3由2条普通单模光纤构成改成8条普通单模光纤构成，光纤型号不变，长度分别为2m、2.25m、2.5m、2.75m、3m、3.25m、3.5m、3.75m；其它器件及连接方法不变，即可构成一个8种普通孤子产生装置。

当使用1×8光开关2分别选取光纤组3中的不同长度的普通单模光纤，从而改变激光器光纤谐振腔内的二阶色散系数时，本发明的输出端就能产生8个参数不同的普通光孤子，实验数据如表1所示，该实施例可用于研究激光器光纤谐振腔内的二阶色散系数对激光器输出普通光孤子特性的影响，且该实验具有可重复性。

表1激光器光纤谐振腔内二阶色散系数对其输出普通光孤子特性的影响

实施例4一种可以产生8种耗散孤子的实施例

参照图1及实施例3，本实施例中，N取8。将实施例3中光纤组3的8条普通单模光纤长度由2m、2.25m、2.5m、2.75m、3m、3.25m、3.5m、3.75m改成5.5m、5.9m、6.3m、6.7m、7.1m、7.5m、7.9m、8.3m，型号不变；其它器件及连接方法不变，即可构成一个8种耗散孤子产生装置。

当使用1×8光开关2分别选取光纤组3中的不同长度的普通单模光纤，从而改变激光器光纤谐振腔内的二阶色散系数时，本发明的输出端就能产生8个参数不同的耗散光孤子，实验数据如表2所示，该实施例可用于研究激光器光纤谐振腔内的二阶色散系数对激光器输出耗散孤子特性的影响，且该实验具有可重复性。

表2激光器光纤谐振腔内二阶色散系数对其输出耗散孤子特性的影响

只需将以上实施例中光纤组3的普通单模光纤的数量改成其它数量，并使用对应的1×N光开关2和1×N光耦合器4，本发明即可方便地实现从2种孤子产生到16种孤子产生的功能，如果选用更多的接口的光开关和光耦合器，也可以实现产生更多种孤子的功能，本发明的这种结构为在相同条件下研究光孤子的特性提供了一个方便实用的实验平台。

Claims (3)

1.一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置，其特征在于，1×N光开关(2)的公共输入端通过带偏振控制器(1)的单模光纤与1×2光耦合器(11)的90％输出端相连，1×N光开关(2)的N个输出端分别通过光纤组(3)中的N条不同的单模光纤与1×N光耦合器(4)的N个输入端相连，所述的光纤组(3)是由N条长度不同的单模光纤构成的，1×N光耦合器(4)的公共输出端通过色散补偿光纤(5)与光隔离器(6)的光输入端相连，光隔离器(6)的光输出端通过掺镱光纤(7)与光波分复用器(8)的公共端相连，光波分复用器(8)的980nm端与泵浦光源(9)的输出端相连，光波分复用器(8)的1060nm端与可饱和吸收体(10)的一端相连，可饱和吸收体(10)的另一端和1×2光耦合器(11)的公共输入端相连，1×2光耦合器(11)的10％输出端作为总输出端；所述的N是2～16的整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置，其特征在于，所述的泵浦光源(9)是980nm激光光源。

3.根据权利要求1所述的一种基于被动锁模掺镱光纤激光器的光孤子产生装置，其特征在于，所述的光纤组(3)中各单模光纤的长度为2m～8.5m；所述的色散补偿光纤(5)的长度为5m～6m；所述的掺镱光纤(7)的长度为0.4m～0.5m；所述的带偏振控制器(1)的单模光纤长度是0.1m。