CN104901653A - 一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，包括连续宽带光源、可编程光谱调制器、马赫增德尔强度调制器、电位模式发生器、单模色散光纤、高速光电探头以及低通滤波器，连续宽带光源发射的连续宽谱光信号通过可编程光谱调制器进行连续宽谱光信号的整形，马赫增德尔强度调制器在电位模式发生器的控制下对整形后的光信号进行调制，得到的高重频光脉冲信号通过单模色散光纤进行传输，得到任意脉宽的高重频脉冲光，高速光电探头对任意脉宽的高重频脉冲光进行光电转换，通过低通滤波器将脉冲包络采集输出。本发明可以产生亚纳秒的脉冲，并且得到的输出激光的时域波形可以任意制定。
Description
技术领域
本发明涉及光电子领域，具体涉及一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器。
背景技术
在可控核聚变试验中，任意脉冲形状的激光束变得越来越重要。产生这种精密的任意形状激光束，需要有一个相应的形状任意可调的电脉冲。并且，在工业加工中，为了使得材料加工更加平滑，需要对激光的时域波形进行很好的控制。这就需要用到任意波形发生装置。一般电域中的任意波形发生装置的输出最小脉宽都在纳秒级别以上，现在市面上唯一能够生成带宽大于10GHz信号的商用宽带信号发生的任意波形发生装置只有1款，即Tektronix的AWG70000任意波形发生器，其价格昂贵，而且采样速率50GaS/s，不能满足亚纳秒脉宽波形的产生。电域中任意波形发生器不能达到亚纳秒及以下的脉宽的主要原因在于无法突破电子速度瓶颈，而使用光域方法则可以很轻松的达到要求。
全光任意波形发生器(Optical Arbitrary Waveform Generation，O-AWG)中应用最广泛的脉冲整形原理主要包括电光晶体原理、双折射原理和傅立叶变换原理这三大类。
利用电光晶体进行脉冲整形的主要方式有两种：第一种是对电光晶体进行调制，通过外加电场在晶体中产生电光效应，使导波光的传播特性发生变化从而达到脉冲整形的目的；第二种是利用电光偏转器的偏转特性，使得不同时刻的激光脉冲通过不同的空间位置，然后改变不同空间位置光通量的透过率，以达到激光脉冲整形的目的。但是该方法是针对特定输入光脉冲(如均匀或高斯光脉冲)的切趾光阑进行光脉冲空间整形，由于实际应用中输入的光脉冲并非是这样的理想脉冲，此方法存在一定的局限性。
双折射原理主要是因为强脉冲能引起非线性双折射，而且光脉冲通过光纤和检偏器时，其透射率与脉冲强度有关，因而可用双折射原理来修正输出脉冲形状。此方法虽然可以实现脉冲整形的目的，但非线性系统本身对输入脉冲功率非常敏感，实际操作中的要求也很苛刻，无法用在低功率的系统中。
基于傅里叶变换进行脉冲整形是一种目前普遍认可的可近似产生任意形状光脉冲(包括高速脉冲序列)的方法，但这种方法的不足之处在于，该方法在产生实时的高速脉冲序列时，必须进行复杂的傅立叶变换计算。一般的，基于傅里叶变换理论的频谱逐行整形发生系统所使用的光源为锁模激光器，其重复频率一般不可变。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，可以产生高重频亚纳秒的脉冲，并且得到的输出激光的时域波形可以任意制定，突破了电域中任意波形发生器的带宽及采样速率的限制。
本发明提出一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，包括连续宽带光源、可编程光谱调制器、马赫增德尔强度调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)、电位模式发生器、单模色散光纤、高速光电探头以及低通滤波器；所述连续宽带光源发射的连续宽谱光信号耦合进所述可编程光谱调制器，所述可编程光谱调制器对所述连续宽谱光信号进行滤波采样，得到固定波长间隔且频率上离散的光信号，并对所述固定波长间隔且频率上离散的光信号根据预设波形进行强度和相位调制，以实现所述连续宽谱光信号的整形，所述强度和相位调制频率与所述电位模式发生器的时序同步，所述马赫增德尔强度调制器在所述电位模式发生器的控制下，通过高速开关对整形后的光信号进行调制，得到高重频光脉冲信号，所述单模色散光纤对所述高重频光脉冲信号进行色散，得到任意脉宽的高重频脉冲光，所述高速光电探头对所述任意脉宽的高重频脉冲光进行光电转换，输出任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号，所述低通滤波器对所述任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号进行低通滤波，以输出高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形。
可选的，所述可编程光谱调制器包括：空间衍射光栅、透镜及液晶空间光调制器；所述空间衍射光栅对所述连续宽带光源发射的连续宽谱光信号通过分光得到固定波长间隔的光信号；所述透镜对分光后的所述固定波长间隔的光信号进行折射，得到空间位置与波长一一对应的光信号，以完成光信号的滤波采样；所述液晶空间光调制器对所述空间位置与波长一一对应的光信号根据预设波形进行强度和相位调制，得到的离散光谱包络波形即与最后输出的电任意时域波形直接相关。
可选的，所述可编程光谱调制器为可编程波导阵列调制器。
可选的，所述电位模式发生器的脉宽小于其产生的电信号的脉冲周期的十分之一。
可选的，所述连续宽带光源的带宽为5nm以上。
由上述技术方案可知，本发明提供了一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，可以产生亚纳秒的脉冲，并且得到的输出激光的时域波形可以任意制定，突破了电域中任意波形发生器的带宽及采样速率的限制。
附图说明
图1为本发明公开的一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器示意图；
图2为本发明一实施例对应的光谱曲线转换图。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明的一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，包括依次设置的连续宽带光源1、可编程光谱调制器2、马赫增德尔强度调制器3、单模色散光纤5、高速光电探头6和低通滤波器7，以及电位模式发生器4，所述电位模式发生器4与所述马赫增德尔强度调制器3连接，用于对所述马赫增德尔强度调制器3进行控制。
本发明实施例中，所述连续宽带光源1发射的连续宽谱光信号耦合进所述可编程光谱调制器2，所述可编程光谱调制器2一般可用波导阵列光栅，所述可编程光谱调制器2对所述连续宽谱光信号进行滤波采样，得到固定波长间隔且频率上离散的光信号，并对所述固定波长间隔且频率上离散的光信号根据预设波形进行强度和相位调制，以实现所述连续宽谱光信号的整形，所述强度和相位调制频率与所述电位模式发生器4的时序同步，所述马赫增德尔强度调制器3在所述电位模式发生器4的控制下，通过高速开关对整形后的光信号进行调制，得到高重频光脉冲信号，所述单模色散光纤5对所述高重频光脉冲信号进行色散，得到任意脉宽的高重频脉冲光，所述高速光电探头6对所述任意脉宽的高重频脉冲光进行光电转换，输出任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号，所述低通滤波器7对所述任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号进行低通滤波，以输出高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形。
其中，所述连续宽带光源1为发射带宽为5nm以上的连续宽谱光信号，然后经过耦合进所述可编程光谱调制器2。
可编程光谱调制器2可由空间衍射光栅、透镜和液晶空间光调制器构成，或者，也可以采用可编程波导阵列调制器构成，其可对光信号进行强度和相位调制，强度和相位调制的调制频率即为输出光脉冲的重复频率，并且时序上和所述电位模式发生器4保持同步。
本发明实施例中，所述可编程光谱调制器2包括空间衍射光栅、透镜及液晶空间光调制器；所述空间衍射光栅对所述连续宽带光源发射的连续宽谱光信号通过分光得到固定波长间隔的光信号；所述透镜对分光后的所述固定波长间隔的光信号进行折射，得到空间位置与波长一一对应的光信号，以完成光信号的滤波采样；所述液晶空间光调制器对所述空间位置与波长一一对应的光信号根据预设波形进行强度和相位调制，得到的离散光谱包络波形即与最后输出的电任意时域波形直接相关。
马赫增德尔强度调制器3用作高速率光开关，实现脉冲光信号，其由一个脉宽极小的电位模式发生器4控制。其中，马赫增德尔强度调制器3的调制速率最高可达40Gbps。
本发明实施例中，所述马赫增德尔强度调制器3在所述电位模式发生器4的控制下对整形后的光信号进行调制，得到高重频光脉冲信号。所述电位模式发生器4的脉宽远小于其产生的电信号的脉冲周期，一般小于其产生的电信号的脉冲周期的十分之一，为几皮秒到几十皮秒。其中，脉宽是指半高全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)。
所述单模色散光纤5对所述高重频的光脉冲信号进行色散，根据固定波长间隔的光在不同色散系数和不同长度的光纤中传播后得到的固定时间间隔不同，得到任意脉宽的高重频脉冲光。其中，单模色散光纤5的长度、色散系数、以及被调制的光谱宽度决定了输出的脉冲光信号的脉宽。
所述高速光电探头6对所述任意脉宽的高重频脉冲光进行光电转换，输出任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号，所述低通滤波器7对所述任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号进行低通滤波，所述低通滤波器7的速率可以响应亚纳秒，因此得到高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形。
本发明实施例中，通过在高速光电探头6加上低通滤波器7可以将脉冲包络即所需的任意波形时域信号采集输出。
下面清楚详细地对本发明产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器的基本工作原理进行说明，具体如下：
通过所述连续宽带光源1，发射连续宽谱光信号；
通过所述可编程光谱调制器2，对所述连续宽带光源1发出的连续宽谱光信号进行整形处理，得到固定波长间隔且频率上离散的预设波形的光信号；
通过马赫增德尔强度调制器3，通过所述电位模式发生器4的控制对所述可编程光谱调制器2处理得到的所述固定波长间隔且频率上离散的预设波形的光信号进行高速调制，得到高重频光脉冲信号，其中，马赫增德尔强度调制器的调制速率最高可达40Gbps；
通过单模色散光纤5，对所述马赫增德尔强度调制器3进行调制后得到的所述高重频的光脉冲信号进行传输，根据固定波长间隔的光在不同色散系数和不同长度的光纤中传播后得到的固定时间间隔不同，得到任意脉宽的高重频脉冲光；
所述高速光电探头6对所述任意脉宽的高重频脉冲光进行光电转换，输出任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号，所述低通滤波器7对所述任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号进行低通滤波，所述低通滤波器7的速率可以响应亚纳秒，因此得到高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形。
图2为本实施例对应的光谱曲线转换图。其中，图2(A)为所述连续宽带光源1发射的连续宽谱光信号所对应的光谱-强度曲线；通过所述可编程光谱调制器2对图2(A)中所述光谱-强度曲线进行滤波采样和强度调制，得到图2(B)中曲线对应的固定波长间隔且频率上离散的预设波形的光信号；根据固定波长间隔的光在不同色散系数和不同长度的光纤中传播后得到的固定时间间隔不同，通过单模色散光纤5得到如图2(C)所示的时域-强度曲线对应的任意脉宽的高重频脉冲光；最后通过高速光电探头6进行高速光电转换，得到如图2(D)所示曲线对应的高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形。
上述产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器可以产生亚纳秒的脉冲，并且得到的输出激光的时域波形可以任意制定，突破了电域中任意波形发生器的带宽及采样速率的限制，脉冲重频最高可达10GHz。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
Claims (5)
1.一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，其特征在于，包括连续宽带光源、可编程光谱调制器、马赫增德尔强度调制器、电位模式发生器、单模色散光纤、高速光电探头以及低通滤波器；所述连续宽带光源发射的连续宽谱光信号耦合进所述可编程光谱调制器，所述可编程光谱调制器对所述连续宽谱光信号进行滤波采样，得到固定波长间隔且频率上离散的光信号，并对所述固定波长间隔且频率上离散的光信号根据预设波形进行强度和相位调制，以实现所述连续宽谱光信号的整形，所述强度和相位调制频率与所述电位模式发生器的时序同步，所述马赫增德尔强度调制器在所述电位模式发生器的控制下，通过高速开关对整形后的光信号进行调制，得到高重频光脉冲信号，所述单模色散光纤对所述高重频光脉冲信号进行色散，得到任意脉宽的高重频脉冲光，所述高速光电探头对所述任意脉宽的高重频脉冲光进行光电转换，输出任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号，所述低通滤波器对所述任意时域的高重频窄脉宽电脉冲信号进行低通滤波，以输出高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形。
2.根据权利要求1所述的一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，其特征在于，所述可编程光谱调制器，包括：空间衍射光栅、透镜及液晶空间光调制器；所述空间衍射光栅对所述连续宽带光源发射的连续宽谱光信号通过分光得到固定波长间隔的光信号；所述透镜对分光后的所述固定波长间隔的光信号进行折射，得到空间位置与波长一一对应的光信号，以完成光信号的滤波采样；所述液晶空间光调制器对所述空间位置与波长一一对应的光信号根据预设波形进行强度和相位调制，得到的离散光谱包络波形即与最后输出的电任意时域波形直接相关。
3.根据权利要求1所述的一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，其特征在于：
所述可编程光谱调制器为可编程波导阵列调制器。
4.根据权利要求1所述的一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，其特征在于：
所述电位模式发生器的脉宽小于其产生的电信号的脉冲周期的十分之一。
5.根据权利要求1所述的一种产生高重频亚纳秒脉宽的任意时域波形发生器，其特征在于，所述连续宽带光源的带宽为5nm以上。
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