CN106842765A - 基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置及锁定方法 - Google Patents

基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置及锁定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，包括顺序连接的光学扰偏器、光学放大器、第一波分复用器、低双折射光纤、第二波分复用器和光学滤波器，设有第一泵浦源通过第一偏振控制器与第一波分复用器连接，设有第二泵浦源通过第二偏振控制器与第二波分复用器连接。这种装置的优点是响应速度快、操作方便、实用性好。本发明同时还公开了基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法。

Description

基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置及锁定 方法
技术领域
本发明涉及光域信号处理技术，具体是基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置及锁定方法。
背景技术
光波属于横电磁波，偏振特性是其固有属性之一。光纤通信技术中，光波偏振特性制约着部分光子器件的性能，促使各种新型偏振相关功能光域信号处理光子器件的迅速发展。因此，光波偏振演化及其操控是光纤领域的热门技术。无论是偏振相关问题的解决还是偏振相关效应的应用，关键是如何实施对光波偏振取向的操控。实际光纤波导总会存在材料或者结构的微观缺陷，光波偏振取向在光纤中的演化具有随机特征，致使光纤中光波偏振取向的操控极为困难。最简便的光波偏振操控无源光学器件是偏振片：调整偏振片的透光取向，可以输出任意角度的线偏振光波。该器件的缺陷在于偏振片输出的光波振幅与光波输入偏振取向密切相关。传统的有源光波偏振操控方法基于有源光电子器件融合复杂反馈算法，如粒子群寻优算法，模拟退火寻优算法、遗传算法等，这些算法在实际应用中显示出效率和优势，但在高速和超高速系统中受到电子器件响应速度瓶颈的限制。
光纤三阶非线性光学效应响应时间极短，且非线性增益具有偏振相关性，因此，基于光纤三阶非线性偏振相关增益可对入射光波实施光域偏振锁定。传统上，光域偏振锁定设计方案包含“同向结构”和“反向结构”。“同向结构”中泵浦光波和信号光波在光纤中同向传输，偏振锁定效率高、响应速度快，适用于高速光信号的光域偏振锁定；然而，“同向结构”存在的严重问题是：由于泵浦光波偏振取向在光纤中随机演化，使信号光波的输出偏振具有随机性和不可预知性，且无法有效实施对其输出偏振取向的调节。“反向结构”中泵浦光波和信号光波在光纤中反向传输，其优点是信号光波的输出偏振取向由泵浦光波的输入偏振取向锁定和调节。“反向结构”的缺陷在于：响应速度慢，一般响应速度仅为微秒量级；泵浦光波功率高，需要8W或8W以上才能使信号光波偏振度大于0.9，实用性低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置及锁定方法。
这种装置的优点是响应速度快、操作方便、实用性好。
这种光域偏振锁定方法设有二阶非线性泵浦光波对一阶非线性泵浦光波实施分布式、反向非线性放大，不仅增加了信号光波的偏振相关非线性增益和降低了非线性泵浦光波的功率要求，同时也使信号光波的输出偏振取易于调节。
实现本发明目的的技术方案是：
基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，包括顺序连接的光学扰偏器、光学放大器、第一波分复用器、低双折射光纤、第二波分复用器和光学滤波器，设有第一泵浦源通过第一偏振控制器与第一波分复用器连接，设有第二泵浦源通过第二偏振控制器与第二波分复用器连接。
第一波分复用器对偏振控制后的第一泵浦源和扰偏后的信号光波实施合束，前向注入低双折射光纤；第二波分复用器将偏振控制后的第二泵浦源后向注入低双折射光纤，并输出光域偏振锁定的信号光波。
所述光学放大器的工作波段涵盖C+L波段。
所述低双折射光纤为C+L波段单模光纤，低双折射光纤的偏振模色散系数不大于0.05ps/。
所述第一泵浦源为一阶非线性泵浦源，第一泵浦源经第一偏振控制器产生具有确定偏振取向的前向传输非线性泵浦光波，前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中与信号光波的传输方向相同。
所述第二泵浦源为二阶非线性泵浦源，第二泵浦源经第二偏振控制器产生具有确定偏振取向的后向传输非线性泵浦光波，后向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中与信号光波、第一泵浦源产生的一阶非线性泵浦光波传输方向相反。
所述前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中对输入信号光波实施偏振相关受激拉曼散射放大时，前向传输非线性泵浦光波频率等于信号光波频率和低双折射光纤的拉曼频移之和。
所述前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中对输入信号光波实施偏振相关参量放大时，前向传输非线性泵浦光波的波长与低双折射光纤的零色散波长之差的绝对值小于10nm。
所述后向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中对前向传输非线性泵浦光波实施偏振相关受激拉曼散射放大，后向传输非线性泵浦光波频率等于前向传输非线性泵浦光波频率和低双折射光纤的拉曼频移之和。
基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法，包括所述基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，具体步骤如下：
（1）输入信号光波的扰偏与放大：将信号光波输入光学扰偏器，使得扰偏后信号光波的偏振度小于0.10,再将扰偏后的信号光波输入光学放大器，通过光学放大器对注入低双折射光纤的信号光波功率实施控制；
（2）一阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波输入第一偏振控制器，通过第一偏振控制器对一阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
（3）信号光波的偏振相关非线性放大：将扰偏、放大后的信号光波和具有确定偏振取向的一阶非线性泵浦光波共同输入第一波分复用器，再由第一波分复用器合束并输入低双折射光纤，在低双折射光纤中，一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关非线性放大；
（4）二阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：将第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波输入第二偏振控制器，通过第二偏振控制器对二阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
（5）一阶非线性泵浦光波的非线性放大：通过第二波分复用器将具有确定偏振取向的二阶非线性泵浦光波反向输入低双折射光纤，在低双折射光纤中，二阶非线性泵浦光波对一阶非线性泵浦光波实施非线性放大和非线性偏振锁定；
（6）获取偏振锁定的信号光波：光学滤波器滤除第二波分复用器耦合输出的残余前向传输一阶非线性泵浦光波和其余光学噪声，获取偏振锁定的信号光波。
步骤（3）中，当一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关受激拉曼散射放大时，所述第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第一波分复用器的工作波段为14XXnm/15XXnm，所述第二波分复用器的工作波段为13XXnm/15XXnm。
步骤（3）中，当一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关参量放大时，所述第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波的最大功率小于1W，所述第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第一波分复用器的工作波长为1550±50nm，所述第二波分复用器的工作波段为14XXnm/15XXnm。
信号光波的输出偏振取向由第二偏振控制器锁定和调节。
这种光域偏振锁定装置设有两阶非线性泵浦光波，其中：一阶非线性泵浦光波与信号光波同向传输，并对信号光波实施高效的非线性偏振锁定；二阶非线性泵浦光波与一阶非线性泵浦光波反向传输，并对一阶非线性泵浦光波实施非线性偏振锁定。
这种装置的优点是响应速度快、操作方便、实用性好。
这种光域偏振锁定方法设有二阶非线性泵浦光波对一阶非线性泵浦光波实施分布式、反向非线性放大，不仅增加了信号光波的偏振相关非线性增益和降低了非线性泵浦光波的功率要求，同时也使信号光波的输出偏振取易于调节。
附图说明
图1为实施例中装置的结构示意图；
图2为实施例的方法流程示意图。
图中，1.光学扰偏器 2.光学放大器 3.第一波分复用器 4.低双折射光纤 5.第二波分复用器 6.光学滤波器 7.第一偏振控制器 8.第一泵浦源 9.第二偏振控制器 10.第二泵浦源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，包括顺序连接的光学扰偏器1、光学放大器2、第一波分复用器3、低双折射光纤4、第二波分复用器5和光学滤波器6，设有第一泵浦源8通过第一偏振控制器7与第一波分复用器3连接，设有第二泵浦源10通过第二偏振控制器9与第二波分复用器5连接。
第一波分复用器3对偏振控制后的第一泵浦源8和扰偏后的信号光波实施合束，前向注入低双折射光纤4；第二波分复用器5将偏振控制后的第二泵浦源10后向注入低双折射光纤4，并输出光域偏振锁定的信号光波。
所述光学放大器2的工作波段涵盖C+L波段。
所述低双折射光纤4为C+L波段单模光纤，低双折射光纤4偏振模色散系数不大于0.05ps/。
所述第一泵浦源8为一阶非线性泵浦源，第一泵浦源8经第一偏振控制器7产生具有确定偏振取向的前向传输非线性泵浦光波，前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤4中与信号光波的传输方向相同。
所述第二泵浦源10为二阶非线性泵浦源，第二泵浦源10经第二偏振控制器9产生具有确定偏振取向的后向传输非线性泵浦光波，后向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤4中与信号光波、第一泵浦源8产生的一阶非线性泵浦光波传输方向相反。
所述前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤4中对输入信号光波实施偏振相关受激拉曼散射放大时，前向传输非线性泵浦光波频率等于信号光波频率和低双折射光纤4的拉曼频移之和。
所述前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤4中对输入信号光波实施偏振相关参量放大时，前向传输非线性泵浦光波的波长与低双折射光纤4的零色散波长之差的绝对值小于10nm。
所述后向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤4中对前向传输非线性泵浦光波实施偏振相关受激拉曼散射放大，后向传输非线性泵浦光波频率等于前向传输非线性泵浦光波频率和低双折射光纤4的拉曼频移之和。
参照图2，基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法，包括所述基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，具体步骤如下：
（1）输入信号光波的扰偏与放大：将信号光波输入光学扰偏器，使得扰偏后信号光波的偏振度小于0.10,再将扰偏后的信号光波输入光学放大器，通过光学放大器对注入低双折射光纤的信号光波功率实施控制；
（2）一阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波输入第一偏振控制器，通过第一偏振控制器对一阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
（3）信号光波的偏振相关非线性放大：将扰偏、放大后的信号光波和具有确定偏振取向的一阶非线性泵浦光波共同输入第一波分复用器，再由第一波分复用器合束并输入低双折射光纤，在低双折射光纤中，一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关非线性放大；
（4）二阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：将第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波输入第二偏振控制器，通过第二偏振控制器对二阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
（5）一阶非线性泵浦光波的非线性放大：通过第二波分复用器将具有确定偏振取向的二阶非线性泵浦光波反向输入低双折射光纤，在低双折射光纤中，二阶非线性泵浦光波对一阶非线性泵浦光波实施非线性放大和非线性偏振锁定；
（6）获取偏振锁定的信号光波：光学滤波器滤除第二波分复用器耦合输出的残余前向传输一阶非线性泵浦光波和其余光学噪声，获取偏振锁定的信号光波。
本例中：
一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关受激拉曼散射放大；
所述信号光波的输出偏振取向由第二偏振控制器9锁定和调节。
输入信号光波波长位于C波段，具体为1550nm，其输入功率为-10dBm；
光学扰偏器1的中心工作波长为1550nm，输出偏振度小于5%；
光学放大器2的工作波段涵盖C波段，其饱和输出功率为25dBm，噪声系数3.3-5.8dB；
第一波分复用器3的工作波段为1455nm/1550nm，第二波分复用器5工作波段为1365nm/1550nm；
低双折射光纤4在C+L波段为单模运行，其拉曼频移为13.2THz,拉曼增益系数为0.76/W/km，偏振模色散系数为0.02ps.km-1/2，光纤长度为3.25km；
第一泵浦源8输出的一阶非线性泵浦光波波长为1451nm，功率大小为3.5W；
第二泵浦源10输出的二阶非线性泵浦光波波长为1364nm，功率大小为3.5W；
第二泵浦源10输出的二阶非线性泵浦光波的偏振斯托克斯矢量具体为（0,1,0）。
具体过程为：
（1）输入信号光波的扰偏与放大：将频率为υs的信号光波输入光学扰偏器1，使得扰偏后信号光波的偏振度小于0.05，以降低偏振锁定信号光波的功率起伏，提高偏振锁定信号光波的光学信噪比；接着，将扰偏后信号光波输入光学放大器2，通过所述光学放大器2对信号光波的功率实施控制，使信号光波与一阶非线性泵浦光波在拉曼频移ΔυB =13.2THz的低双折射光纤4中的受激拉曼散射效应充分进行，进而获得最大的信号光波偏振度。
（2）一阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源8输出的频率为υB1的一阶非线性泵浦光波输入第一偏振控制器7，通过所述第一偏振控制器7对一阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制，以获得最大的信号光波偏振度输出；
一阶非线性泵浦光波的频率υB1与信号光波的频率υs、低双折射光纤4的拉曼频移ΔυB满足：υB1 = υs + ΔυB。
（3）信号光波的偏振相关非线性放大:由第一波分复用器3对扰偏、放大后的信号光波和具有确定偏振取向的一阶非线性泵浦光波实施合束并输入低双折射光纤4；在所述低双折射光纤4中，一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关受激拉曼散射放大，使光纤中信号光波的偏振演化由一阶非线性泵浦光波的偏振取向锁定。
（4）二阶非线性泵浦光波的偏振取向控制:将第二泵浦源10输出的频率为υB2的二阶非线性泵浦光波输入第二偏振控制器9，通过所述第二偏振控制器9对二阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
二阶非线性泵浦光波的频率υB2与一阶非线性泵浦光波的频率υB1、低双折射光纤4的拉曼频移ΔυB满足：υB2 = υB1 + ΔυB。
（5）一阶非线性泵浦光波的非线性放大:由第二波分复用器5将具有确定偏振取向的二阶非线性泵浦光波反向输入低双折射光纤4；在所述低双折射光纤4中，二阶非线性泵浦光波对一阶非线性泵浦光波实施偏振相关受激拉曼散射放大，使一阶非线性泵浦光波的偏振态由二阶非线性泵浦光波的偏振取向锁定，并进而使信号光波的偏振态由二阶非线性泵浦光波的偏振取向锁定。
（6）获取偏振锁定的信号光波：光学滤波器6滤除所述第二波分复用器5耦合输出的残余一阶非线性泵浦光波和其余光学噪声，获取偏振锁定的信号光波；信号光波的输出偏振取向调节由第二偏振控制器9实施完成。
经光学滤波器输出的信号光波的输出偏振度大于0.9；
基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置信号光波的偏振锁定带宽大于6THz；
作为二阶非线性泵浦光波的第二泵浦源10对一阶非线性泵浦光波实施分布式受激拉曼散射放大，使一阶非线性泵浦光波在低双折射光纤4中保持较高功率传输，增加了一阶非线性泵浦光波对信号光波的偏振相关拉曼增益，有效降低了一阶非线性泵浦光波的输入功率要求，提高了偏振锁定效率。

Claims (10)

1.基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，包括顺序连接的光学扰偏器、光学放大器、第一波分复用器、低双折射光纤、第二波分复用器和光学滤波器，设有第一泵浦源通过第一偏振控制器与第一波分复用器连接，设有第二泵浦源通过第二偏振控制器与第二波分复用器连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，所述第一泵浦源为一阶非线性泵浦源，第一泵浦源经第一偏振控制器产生具有确定偏振取向的前向传输非线性泵浦光波，前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中与信号光波的传输方向相同。
3.根据权利要求1所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，所述第二泵浦源为二阶非线性泵浦源，第二泵浦源经第二偏振控制器产生具有确定偏振取向的后向传输非线性泵浦光波，后向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中与信号光波、第一泵浦源产生的一阶非线性泵浦光波传输方向相反。
4.根据权利要求2所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，当前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中对信号光波实施偏振相关受激拉曼放大时，所述前向传输非线性泵浦光波频率等于信号光波频率和低双折射光纤的拉曼频移之和。
5.根据权利要求2所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，当前向传输非线性泵浦光波在低双折射光纤中对信号光波实施偏振相关参量放大时，所述前向传输非线性泵浦光波波长与低双折射光纤的零色散波长之差的绝对值小于10nm。
6.根据权利要求3所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，其特征是，所述后向传输非线性泵浦光波频率等于前向传输非线性泵浦光波频率和低双折射光纤的拉曼频移之和。
7.基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法，其特征是，包括权利要求1-6任一项所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定装置，具体步骤如下：
（1）输入信号光波的扰偏与放大：将信号光波输入光学扰偏器，使得扰偏后信号光波的偏振度小于0.10,再将扰偏后的信号光波输入光学放大器，通过光学放大器对注入低双折射光纤的信号光波功率实施控制；
（2）一阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波输入第一偏振控制器，通过第一偏振控制器对一阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
（3）信号光波的偏振相关非线性放大：将扰偏、放大后的信号光波和具有确定偏振取向的一阶非线性泵浦光波共同输入第一波分复用器，再由第一波分复用器合束并输入低双折射光纤，在低双折射光纤中，一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关非线性放大；
（4）二阶非线性泵浦光波的偏振取向控制：将第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波输入第二偏振控制器，通过第二偏振控制器对二阶非线性泵浦光波的偏振取向实施控制；
（5）一阶非线性泵浦光波的非线性放大：通过第二波分复用器将具有确定偏振取向的二阶非线性泵浦光波反向输入低双折射光纤，在低双折射光纤中，二阶非线性泵浦光波对一阶非线性泵浦光波实施非线性放大和非线性偏振锁定；
（6）获取偏振锁定的信号光波：光学滤波器滤除第二波分复用器耦合输出的残余前向传输一阶非线性泵浦光波和其余光学噪声，获取偏振锁定的信号光波。
8.根据权利要求7所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法，其特征是，步骤（3）中，当一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关受激拉曼散射放大时，所述第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第一波分复用器的工作波段为14XXnm/15XXnm，所述第二波分复用器的工作波段为13XXnm/15XXnm。
9.根据权利要求7所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法，其特征是，步骤（3）中，当一阶非线性泵浦光波对信号光波实施偏振相关参量放大时，所述第一泵浦源输出的一阶非线性泵浦光波的最大功率小于1W，所述第二泵浦源输出的二阶非线性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第一波分复用器的工作波长为1550±50nm，所述第二波分复用器的工作波段为14XXnm/15XXnm。
10.根据权利要求7所述的基于光纤非线性增益偏振相关性的光域偏振锁定方法，其特征是，信号光波的输出偏振取向由第二偏振控制器锁定和调节。
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