CN106329305A - 一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，包括环形器、光纤准直器、二分之一波片、互相平行放置的第一光栅与第二光栅、平面反射镜和一维可调平移台。可被用于补偿高功率激光系统中宽谱光在光纤中传输时，由于光纤群速度色散引入的幅频调制效应。该装置在传输光纤长度、宽谱光展宽量及光波中心波长变化时，仅通过改变平移导轨的平移量，即可方便地改变所述补偿装置的色散量，实现对光纤群速度色散的补偿，避免了外界条件改变后光路的重新搭建及调节，可实现色散补偿的闭环反馈控制，提高了色散补偿的效率。

Description

一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置
技术领域
本发明涉及色散补偿装置领域,具体是一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置。
背景技术
在激光领域，特别是高功率激光领域，为了控制非线性效应的产生以及为实现焦斑匀滑而采用的光谱色散平滑技术，需要将激光频谱展宽。不同的频谱成分通过光纤传输或在传输过程中遇到色散元件，不同波长之间会产生群速度色散，随着传输距离的增大，各成分逐渐分离，到达输出端时，会导致激光的频率调制一部分转换为幅度调制，这种现象被称为高功率激光器中的幅频调制效应。若在输出端不对色散加以补偿，一方面会导致光信号波形失真，另一方面幅频调制效应增加光学元件的损伤风险并降低物理实验的有效性。
色散补偿装置是用来弥补光纤或色散元件引入的色散，以便抑制幅频调制效应，在输出端获得保真的光脉冲波形。目前在通信领域，主要使用光纤光栅对群速度色散进行补偿，光纤光栅体积小，与光纤兼容性好且调谐方便，但光纤光栅受限于制作工艺，其光栅周期及光栅长度决定其无法对较短光纤引入的色散进行补偿。而科研实验中，通常不会产生像通信系统那样巨大的色散量，为了补偿较小的色散量，常使用平行光栅对或棱镜对引入负色散完成补偿。但传统的色散补偿装置结构复杂、可调谐能力差，而根据使用条件或实验要求不同，宽谱光信号中心波长、光谱宽度和传输的光纤长度通常会在一定范围内变化，如果每次变化都重新搭建光路，将是一项耗时耗力的工作。因此，设计一套可对色散量灵活迅速调节的可调色散补偿系统是很有必要的。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，用于解决现有色散补偿装置结构复杂、色散补偿特性固定的问题。具体而言，本发明的目的是提供一种色散补偿器，它能在预定波段上提供一定量的色散。本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，所述方法能通 过提供一种色散补偿装置对色散进行可调谐补偿，所述色散补偿装置能在有关波段上提供不同的恒定且稳定的色散，其中，可通过调谐所述装置来控制上述不同的量。
本发明所采用的技术如下：
一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，包括环形器、光纤准直器、二分之一波片、互相平行放置的第一光栅与第二光栅、平面反射镜和一维可调平移台；所述第二光栅和平面反射镜固定在一维可调平移台，所述环形器的1端口与输入光纤连接，该环形器的2端口与所述光纤准直器的尾纤连接，环形器的3端口与输出光纤连接，宽谱光信号从环形器的1端口输入后，经环形器的2端口输出到达光纤准直器，经光纤准直器准直输出后经所述二分之一波片后，入射到第一光栅上，经第一光栅衍射后到达第二光栅，经第二光栅第二次衍射后，形成平行光束入射到所述平面反射镜，经该平面反射镜反射后，原路返回到光纤准直器，被光纤准直器耦合进光纤从环形器的2端口输入，并从环形器的3端口输出，并进入输出光纤继续传输。
通过调谐所述一维可调平移台，改变平行光栅对间距，从而改变光栅对引入的色散量，实现该补偿装置的调谐色散补偿特性。
可被用于补偿高功率激光系统中宽谱光在光纤中传输时，由于光纤群速度色散引入的幅频调制效应。
所述一维可调平移台的一维平动方向需与第一光栅中心波长衍射光方向平行。
所述第一光栅、第二光栅是两块除尺寸外参数相同的反射式刻线闪耀光栅，闪耀波长需与宽谱光信号中心波长对应。
所述第一光栅、第二光栅刻线方向需与衍射光束展宽平面垂直。
所述第二光栅的宽度需大于入射宽谱光展宽后的宽度。
所述光纤准直器的准直距离需大于光束在系统中往返一次的传输距离。
所述环形器和光纤准直器的中心波长需与宽谱光信号中心波长匹配。
所述一维可调平移台可选用电控平移台以实现远程闭环控制。
所述一维可调平移台上可使用L型转接板提高平移台行程使用效率，避免光学元件在调谐中发生碰撞。
本发明的特点和优点：
本发明克服了现有啁啾光纤光栅无法补偿小色散量、而传统色散补偿装置色散补偿特性固定的缺点，可补偿色散元件引入的小色散、色散补偿特性可快速调 谐并且具有与光纤系统兼容的特性。可调谐的色散补偿特性可适应色散补偿带宽变化导致的色散量变化、宽谱光信号中心波长改变导致的色散量变化以及前端传输光纤长度变化导致的色散量变化。调谐方法简单快速，过程中无需对光路进行额外的人为调节，可使用电控平移台实现远程闭环监控。
附图说明
图1是本发明基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置的结构图。
图中，1-环形器、2-光纤准直器、3-二分之一波片、4-第一光栅、5-第二光栅、6-平面反射镜和7-一维可调平移台；
图2为平行光栅对引入色散的原理图。
图3为宽谱光信号中心波长为1053.1020nm，展宽量为0.38nm，经340m单偏振光纤传输前后及经过色散补偿装置后的波形图。图3(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图3(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号；图3(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号；图3(d)为宽谱光信号光谱分布图。
图4为宽谱光信号中心波长为1053.1020nm，展宽量为0.5nm，经340m单偏振光纤传输前后及经过色散补偿装置后的波形图。图4(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图4(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号；图4(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号；图4(d)为宽谱光信号光谱分布图。
图5为宽谱光信号中心波长为1053.5013nm，展宽量为0.38nm，经340m单偏振光纤传输前后及经过色散补偿装置后的波形图。图5(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图5(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号；图5(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号。
图6为宽谱光信号中心波长为1052.3417nm，展宽量为0.38nm，经340m单偏振光纤传输前后及经过色散补偿装置后的波形图。图6(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图6(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号，可见到波形平顶区出现严重的幅频调制；图6(c)为示波器采集到的 经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号，基本与输入波形一致，且幅频调制量略小于输入状态，这是由于色散补偿装置对输入信号采集位置前端的光纤激光器内部光纤色散引入的幅频调制也进行了补偿。
具体实施方式
下面结合附图和实例作进一步详细的说明。
实施例1：如附图1所示，一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，包括中心波长1053nm的环形器1、尾纤为1053nm的光纤准直器2、二分之一波片3、尺寸为4cm×4cm，刻线数为1740线/mm，闪耀波长为1053nm，利特罗角为65°的第一光栅4和第二光栅5、镀银膜平面反射镜6和行程20cm的一维可调平移台7。如附图2所示，该装置引入的色散量为其中α(λ0)为入射光与中心波长的一级衍射光之间的夹角，L为光栅对水平间距，G为光栅对垂直间距，c为光速，d为光栅周期。针对中心波长1053.1020nm，展宽量为0.38nm的宽谱光经过340m单偏振光纤传输后，由环形器1的1端口入射，环形器1的2端口与准直器尾纤连接，光经光纤准直器的准直输出，经过一个二分之一波片3，入射到第一光栅4上，经第一光栅4衍射后传输一段距离到达与第一光栅4平行放置的第二光栅5，被第二光栅5第二次衍射，变成平行光束到达平面反射镜6，之后被平面反射镜6反射，原路返回光纤准直器，被光纤准直器耦合进光纤重新进入环形器1的2端口，从环形器1的3端口输出进入下段光纤继续传输。其中，第二光栅5和平面反射镜6固定在同一一维可调平移台7上；光栅放置角度需使入射光与一级衍射光夹角为65°，且衍射光方向沿着导轨平移方向；第一光栅4和第二光栅5的水平间距为17.21cm。
在单偏振光纤传输系统中，基本可认为幅频调制量全部由群速度色散引入，因此若对群速度色散进行完全补偿，可将输出波形恢复至与输入波形基本相同。如附图3所示，图3(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图3(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号，可见到波形平顶区出 现严重的幅频调制；图3(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号，基本与输入波形一致，且幅频调制量略小于输入状态，这是由于色散补偿装置对输入信号采集位置前端的光纤激光器内部光纤色散引入的幅频调制也进行了补偿；图3(d)为宽谱光信号光谱分布图(使用两级位相调制器对单频光展宽的结果)。
实施例2：与实施例1相同，针对中心波长1053.1020nm，但展宽量改变为0.5nm的宽谱光经过340m单偏振光纤传输后，得到的测量结果，此过程中不需要调节导轨即可完成色散补偿。如附图4所示，图4(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图4(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号，可见到波形平顶区出现严重的幅频调制；图4(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号，基本与输入波形一致，且幅频调制量略小于输入状态，这是由于色散补偿装置对输入信号采集位置前端的光纤激光器内部光纤色散引入的幅频调制也进行了补偿；图4(d)为宽谱光信号光谱分布图(使用两级位相调制器对单频光展宽的结果)。
实施例3：与实施例1相同，针对展宽量为0.38nm但中心波长改变为1053.5013nm的宽谱光经过340m单偏振光纤传输后，得到的测量结果，此过程中需要微调导轨以减小光栅对间距。当中心波长调节量不大时，α(λ0)变化很小，则根据光栅对水平间距L与中心波长λ0之间近似为反比关系，容易求得光栅对水平间距应调整为17.19cm。如附图5所示，图5(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图5(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号，可见到波形平顶区出现严重的幅频调制；图5(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号，基本与输入波形一致，且幅频调制量略小于输入状态，这是由于色散补偿装置对输入信号采集位置前端的光纤激光器内部光纤色散引入的幅频调制也进行了补偿。图5测得输入输出波形的幅频调制效应较为严重的原因是由前级放大器内滤波器对光谱卡边引起的，并非群速度色散引入。
实施例4：与实施例1相同，针对展宽量为0.38nm但中心波长改变为1052.3417nm的宽谱光经过340m单偏振光纤传输后，得到的测量结果，此过程中需要微调导轨以增大光栅对间距。容易求得光栅对水平间距应调整为17.22cm。如附图6所示，图6(a)为示波器采集到的进入340m单偏振光纤前的输入信号；图6(b)为示波器采集到的经过340m单偏振光纤的光脉冲信号，可见到波形平顶区出现严重的幅频调制；图6(c)为示波器采集到的经过本发明的色散补偿装置后的光脉冲信号，基本与输入波形一致，且幅频调制量略小于输入状态，这是由于色散补偿装置对输入信号采集位置前端的光纤激光器内部光纤色散引入的幅频调制也进行了补偿。图6测得输入输出波形的幅频调制效应较为严重的原因是由前级放大器内滤波器对光谱卡边引起的，并非群速度色散引入。
实施例5：与实施例1相同，可以改变传输光纤的长度为L’，此时需要调节导轨以匹配L’长度的光纤引入的色散量，光栅对的水平间距可根据公式 求得，从而可得到平台的移动量。这时需注意，传输光纤的长度变化后引入的色散量不可超过导轨移动的行程范围内光栅对可补偿的色散量，否则会影响系统补偿效率。例如本系统实施例1中所述情况，其可补偿的光纤长度范围为340±200m。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，包括环形器、光纤准直器、二分之一波片、互相平行放置的第一光栅与第二光栅、以及平面反射镜和一维可调平移台；其特征在于：所述第二光栅和平面反射镜固定在一维可调平移台，所述环形器的1端口与输入光纤连接，该环形器的2端口与所述光纤准直器的尾纤连接，环形器的3端口与输出光纤连接，宽谱光信号从环形器的1端口输入后，经环形器的2端口输出到达光纤准直器，经光纤准直器准直输出后经所述二分之一波片后，入射到第一光栅上，经第一光栅衍射后到达第二光栅，经第二光栅第二次衍射后，形成平行光束入射到所述平面反射镜，经该平面反射镜反射后，原路返回到光纤准直器，被光纤准直器耦合进光纤从环形器的2端口输入，并从环形器的3端口输出，并进入输出光纤继续传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述一维可调平移台的一维平动方向与第一光栅中心波长衍射光方向平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述第一光栅和第二光栅是两块除尺寸外参数相同的反射式刻线闪耀光栅，闪耀波长与宽谱光信号中心波长对应。
4.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述第一光栅和第二光栅的刻线方向与衍射光束的展宽平面垂直。
5.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述第二光栅的宽度大于入射宽谱光展宽后的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述光纤准直器的准直距离大于光束在系统中往返一次的传输距离。
7.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述环形器和光纤准直器的中心波长与宽谱光信号中心波长匹配。
8.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述一维可调平移台选用电控平移台以实现远程闭环控制。
9.根据权利要求1所述的一种基于平行光栅对的可快速调谐的色散补偿装置，其特征在于：所述一维可调平移台上设有L型转接板。
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