CN104037600A - 一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种可产生多种类型光孤子的装置。其结构有1×N光开关(1)、色散补偿光纤组(2)、1×N光耦合器(3)、可饱和吸收体(4)、单模光纤(5)、光隔离器(6)、掺镱光纤(7)、光波分复用器(8)、泵浦光源(9)、可调光滤波器(10)和1×2光耦合器(11)。本发明通过选择不同长度的色散补偿光纤，得到耗散孤子单脉冲、普通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，在不同光孤子之间切换时不改变系统的环境参数，切换速度快，使用方便，重复性好。

Description

一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种可产生多种类型光孤子的装置。

背景技术

光孤子，又称超短光脉冲，普通的光孤子重复频率非常高，一般可达20GHz，最高可达100GHz，并且具有保形传输的能力，是新一代光纤通信系统的理想光载体。利用光孤子进行光纤通信还有误码率低、无中继距离长、可以采用全光纤增益补偿等优点。

除了普通光孤子外，常见的光孤子还有抛物线形自相似子。这种自相似子的重复频率比较低，一般在几百兆赫兹左右，但其峰值功率高、单脉冲能量大，可应用于光纤传感、激光打印、激光测距及材料加工等领域。

现有技术一个光孤子发生系统只能产生一种类型的光孤子，如果要产生不同类型的光孤子必须改变系统结构，即先将原系统中的光纤断开，更换合适的器件或光纤后再熔接回系统中。现有技术存在以下缺点：首先，在光纤的断开、熔接点会引入损耗；其次，更改系统结构、更换器件的时间一般较长，在此过程中环境条件易发生改变，会影响系统运行的可重复性。

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：

一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统，其特征在于，1×N光开关1的公共输入端与1×2光耦合器11的80％输出端相连，1×N光开关1的N个输出端分别通过色散补偿光纤组2中的N条不同长度的色散补偿光纤与1×N光耦合器3的N个输入端相连，1×N光耦合器3的公共输出端通过可饱和吸收体4与单模光纤5的一端相连，单模光纤5的另一端与光隔离器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端与可调光滤波器10的一端相连，可调光滤波器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20％输出端作为总输出端；所述的N是2～8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。

所述的色散补偿光纤组2中各色散补偿光纤的长度优选6.2m～20m；所述的单模光纤5的长度优选9m～10m；所述的掺镱光纤7的长度优选0.6m～0.7m。

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的一端，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的另一端连接到光隔离器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端连接到可调光滤波器10的一端，可调光滤波器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20％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80％输出端与1×N光开关1的公共输入端相连，1×N光开关1的N个输出端分别通过色散补偿光纤组2中的N条不同的色散补偿光纤与1×N光耦合器3的N个输入端相连，这样利用1×N光开关1可以选择激光经过色散补偿光纤组2中哪一路色散补偿光纤继续在激光器的光纤谐振腔中进行循环。1×N光耦合器3的公共输出端通过可饱和吸收体4与一段普通单模光纤5的一端相连，该段普通单模光纤5的另一端与光隔离器6的光输入端相连，光隔离器6的光输出端连接掺镱光纤7，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20％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、其二阶色散系数为色散补偿光纤组2中被选中连入光纤谐振腔的色散补偿光纤长度为L^DCF、其二阶色散系数为普通单模光纤5的长度为L^SMF、其二阶色散系数为则光纤谐振腔的平均二阶色散系数 ${\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{net}}=\frac{{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{gain}}\·L^{\mathrm{gain}}+{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{SMF}}\·L^{\mathrm{SMF}}+{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{DCF}}\·L^{\mathrm{DCF}}}{L^{\mathrm{gain}}+L^{\mathrm{SMF}}+L^{\mathrm{DCF}}}.$ 通过选中色散补偿光纤组2中不同长度的色散补偿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。

本发明一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统有以下有益效果：

1、本发明能够通过选择不同长度的色散补偿光纤，调整被动锁模掺镱光纤激光器系统中的平均二阶色散系数，进而得到不同参数的耗散孤子单脉冲和普通光孤子单脉冲。

2、本发明在选择不同色散补偿光纤长度时，不需要改动被动锁模掺镱光纤激光器系统的光路结构，因此切换速度极快，从而能够确保系统在环境条件、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均保持不变的情况下运行，保证了系统运行的稳定性和可重复性。

附图说明：

图1是本发明一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统的整体结构框图。

图2是本发明一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统产生的耗散孤子。

图3是本发明一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统产生的基态光孤子。

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。各实施例中，各元件优选的参数已标注于元件后面的括号中。

实施例1系统整体结构，各元件优选参数已标注于元件后面的括号中。

1×N光开关1(OZ-OPTICS公司生产的型号为MFOS-12-9/125-S-1060-3U的全光纤光开关)的公共输入端与1×2光耦合器11(Gould Fiber Optics公司生产，型号为22-1-27-98-20-1×2-12-FC/PC-1，分光比为80:20)的80％输出端相连，1×N光开关1的N个输出端分别通过色散补偿光纤组2中的N条不同长度的色散补偿光纤(THORLABS公司的DCF38色散补偿光纤)与1×N光耦合器3(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，1×N光耦合器3的公共输出端通过可饱和吸收体4(德国BATOP公司SA-1064-25-2ps-FC/PC可饱和吸收体)与单模光纤5(FIBERCORE公司的SM1500型普通单模光纤，9米)的一端相连，单模光纤5的另一端与光隔离器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(芬兰的Liekki公司YB1200-4/125掺镱光纤，0.6米)与光波分复用器8(深圳Flyin Optronics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(Innovative Photonic Solutions公司的I0980SB0500PA型泵浦源，最大单模输出光功率为500mW，中心波长980nm)的输出端相连，光波分复用器8的1060nm端与可调光滤波器10(Micron Optics公司生产，型号为FFP-TF-1060-010G0200-2.0)的一端相连，可调光滤波器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20％输出端作为总输出端；所述的N可以是2～8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，在本实施例中，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(Innovative PhotonicSolutions公司的I0980SB0500PA型泵浦源，最大单模输出光功率为500mW，中心波长980nm)发出。泵浦光源9连接到光波分复用器8(深圳Flyin Optronics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(芬兰的Liekki公司YB1200-4/125掺镱光纤，0.6米)的一端，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的另一端连接到光隔离器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端连接到可调光滤波器10(Micron Optics公司生产，型号为FFP-TF-1060-010G0200-2.0)的一端，可调光滤波器10的另一端连接到1×2光耦合器11(Gould Fiber Optics公司生产，型号为22-1-27-98-20-1×2-12-FC/PC-1，分光比为80:20)的公共输入端，将第二路光分成两部分，一部分光孤子在其20％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80％输出端与1×2光开关1(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)的公共输入端相连，1×2光开关1的2个输出端分别连接色散补偿光纤组2中的2条不同长度的色散补偿光纤上，这样利用1×2光开关1可以选择激光经过哪一路色散补偿光纤继续在激光器的光纤谐振腔中进行循环。在本实施例中色散补偿光纤组2的两条色散补偿光纤长度分别为16米和7米(THORLABS公司的DCF38色散补偿光纤)。色散补偿光纤组2中的2条色散补偿光纤通过1×2光纤耦合器3(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，1×2光耦合器3的公共输出端通过可饱和吸收体4(德国BATOP公司SA-1064-25-2ps-FC/PC可饱和吸收体)与一段普通单模光纤5(FIBERCORE公司的SM1500型普通单模光纤，9米)的一端相连，该段普通单模光纤5的另一端与光隔离器6的光输入端相连，光隔离器6的光输出端连接掺镱光纤7，由此形成一个闭合的光回路。

当1×2光开关1选取散补偿光纤组2的7米长色散补偿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1选取散补偿光纤组2中的16米长色散补偿光纤时，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，本实施例中N取8。将实施例1中的普通单模光纤5由9m改为10m，型号不变；掺镱光纤7由0.6m改成0.7m，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BC-OPTICS公司生产的型号为SP-1060nm-AV-1×8-S302的1×8光耦合器；色散补偿光纤组2由2条色散补偿光纤构成改成8条色散补偿光纤构成，光纤型号不变，长度分别为13m、14m、15m、16m、17m、18m、19m、20m；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1分别选取色散补偿光纤组2中的不同长度的色散补偿光纤，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，本实施例中，N取8。将实施例3中色散补偿光纤组2的8条色散补偿光纤长度由13m、14m、15m、16m、17m、18m、19m、20m改成6.2m、6.6m、7.0m、7.4m、7.8m、8.2m、8.6m、9.0m，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1分别选取色散补偿光纤组2中的不同长度的光纤，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色散补偿光纤组2的色散补偿光纤的数量改成其它数量，并使用对应的1×N光开关1和1×N光耦合器3，本发明即可方便地实现从2种孤子产生到8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)

1.一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统，其特征在于，1×N光开关(1)的公共输入端与1×2光耦合器(11)的80％输出端相连，1×N光开关(1)的N个输出端分别通过色散补偿光纤组(2)中的N条不同长度的色散补偿光纤与1×N光耦合器(3)的N个输入端相连，1×N光耦合器(3)的公共输出端通过可饱和吸收体(4)与单模光纤(5)的一端相连，单模光纤(5)的另一端与光隔离器(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端与可调光滤波器(10)的一端相连，可调光滤波器(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20％输出端作为总输出端；所述的N是2～8的整数。

2.根据权利要求1所述的一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统，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所述的一种由色散补偿光纤组构成的多种类型光孤子发生系统，其特征在于，所述的色散补偿光纤组(2)中各色散补偿光纤的长度为6.2m～20m；所述的单模光纤(5)的长度为9m～10m；所述的掺镱光纤(7)的长度为0.6m～0.7m。