CN107490434B - 一种多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量的方法及装置，所述方法包括如下步骤：利用模式解复用器将多模光脉冲簇中不同光纤模式的光成分转化为光纤基模并分解到不同的单模光纤中；利用可调衰减器对每路单模光纤中的光进行适当的衰减；利用光纤延迟线和耦合器将光耦合到一根单模光纤中，并将空间模式信息映射到时域上；利用色散光纤将光谱的信息映射到时域上，并利用高速光电探测系统进行探测，从而实现对每个模式光谱信息的高速测量。本发明可用于多模光纤超快激光系统中瞬时脉冲非线性效应的研究。
Description
技术领域
本发明属于超快光子学领域，具体涉及对多模光纤系统中超快光脉冲时空光谱特性的高速测试方法。
背景技术
色散傅里叶变换(Dispersive Fourier transformation，DFT)技术是一种对超快光脉冲簇的光谱进行实时高速的测量方法。该技术是通过引入大群速度色散，将超短光脉冲簇的光谱信息映射到时域上，并通过高速单点光电探测器和高速实时示波器对其光谱信息进行探测。色散傅里叶变换技术对非线性科学研究和高速成像等领域的发展起到了重要的推动作用。在非线性科学研究方面，利用色散傅里叶变换技术可以突破其它光电探测技术对探测速度和带宽的限制，实现对超连续光谱产生、锁模光纤激光器等系统中复杂非线性过程中，逐个光脉冲的光谱特性进行测量，这不仅可以对这些复杂非线性系统中的各种混沌现象，如孤子爆炸、类噪声脉冲产生、光奇异波(Rogue Wave)产生等现象深入的研究，还为利用光纤非线性系统模拟海洋流体力学、生物学、社会学中更加复杂的非线性系统提供了条件，具有重要的科学意义。在高速光探测方面，利用色散傅里叶变换技术可以将被探测物的光谱信息转化到时域上，实现对稀有事件的捕捉和探测。
模分复用技术(Mode-Division Multiplexing,MDM)是为应对光纤通信系统传输容量快速提升的需求而发展起来的复用技术，该技术作为光纤空分复用(Space-DivisionMultiplexing,SDM)的一种形式，引入光纤的空间维度，通过对模式的复用/解复用等技术将多模光纤中的高阶线偏振模式或轨道角动量模式作为独立的信道进行信息传输。
模分复用技术的发展推动了多模光纤在非线性光纤光学中的应用。多模光纤为光纤非线性光学带来了新维度、新机制、新现象。在维度上，多模光纤将单模光纤中的时间维度扩展到时间-空间维度。在机制上，多模光纤除了具有单模光纤的各种非线性效应外，还具有模式之间的时空调制不稳、非线性能量耦合以及孤子的碰撞与捕获等新机制。多模光纤复杂的线性响应和新的模间非线性机制相结合，为其带来了丰富的非线性现象和应用，同时也为以具有时空维度的多模光纤为平台，模拟从流体力学、社会活动到星系形成等复杂非线性过程提供了条件。
然而受探测技术的限制，目前在多模光纤中观察到的各种非线性效应的物理机制还没有得到很好的解释，从而也限制了其应用领域。因此急需开发一种可以在时空维度上对多模光脉冲簇的特性进行高速探测的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是结合模分复用技术和色散傅里叶变换技术，提出一种多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量的方法及装置，实现对多模光纤脉冲传输过程中光谱信息的高速测量。
依据本发明的第一方面，提供一种多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量的方法。该测量方法的特征在于，包括以下步骤：
S1.利用模式解复用器将多模光脉冲簇中不同光纤模式的光成分转化为光纤基模并分解到不同的单模光纤中；
S2.利用可调衰减器对单模光纤中的光进行适当的衰减，以减小非线性效应对测试精度的影响；
S3.利用光纤延迟线调整不同单模光纤中传播的光的时延，然后利用光耦合器将其耦合到同一根单模光纤中，由于原来在不同空间模式上的光成分在单模光纤中具有不同的时延，从而实现将空间信息映射到时域上；
S4.将步骤S3中合成的单模光纤中的光通过色散光纤，使脉冲簇在时域上发生展宽，并将光谱的信息映射到时域上，最后利用高速光电探测器和高速实时示波器对时域信息进行探测，从而实现对个模式光谱信息的高速测量。
其中在步骤S4中，增加色散光纤的总色散可以增加脉冲簇展宽的幅度，从而提高光谱测试精度。但是其展宽的幅度受相邻脉冲簇间隔的限制，要求展宽后的脉冲簇在时域上不能重叠。因此为了保证足够的测试精度，要求两个待测孤子簇之间的时间间隔大于每个脉冲簇宽度的100倍。
依据本发明的第二方面，提供一种实现上述方法的测试装置，其特征在于包括：模式解复用器、可调光衰减器、光纤延迟线、光纤耦合器、色散光纤、高速光电探测系统；所述模式解复用器、可调光衰减器、光纤延迟线、光纤耦合器、色散光纤、高速光电探测系统通过光纤顺次连接，实现从空间和频域到时域的映射和时域的高速数据采集。
其中所述的模式解复用器将少模光纤中不同模式传输的光转化为基模，并分解到不同单模光纤中传输。所述的模式解复用器采用全光纤结构实现，有多种可能是实现方案，包括：(1)可采用光子灯笼实现，光子灯笼通过多根不同结构的单模光纤合束拉锥实现模式解复用功能，其特征在于：其输入端接口可传输多个模式，可与少模光纤直接连接；输出端为多端口结构，每个端口可与普通单模光纤直接连接；(2)可采用串联不对称光纤耦合器结构实现，不对称光纤耦合器由少模光纤和单模光纤拉锥实现，其特征在于：通过谐振耦合效应可以将少模光纤中输入光中的一个高阶模式转化为基模，并从单模光纤输出，其它模式继续在少模光纤中传输，将多个不对称光纤模式耦合器串联，每个耦合器下载一个特定的模式，从而实现模式分离。在少模光纤传输的多模光脉冲簇经过模分复用器后，转化为单模光纤的基模，并分别从不同的单模光纤输出，每根单模光纤对应一个模式。
脉冲簇分解到不同单模光纤后，首先经过可调光衰减器。所述的可调光衰减器可以用挤压弯曲等方法实现，其特征在于两端可与标准单模光纤直接连续，对输入光的损耗可连续调节，其作用是避免非线性效应对测试精度的影响。接着使用不同的光纤长度和光延迟线使不同单模光纤中传输的模式经过不同的光程。所述的光纤延迟线，其特征在于其可改变输出激光的时延，其作用是实现不同空间模式的光在时域的分离。接着各路单模光纤通过光纤耦合器耦合到一根单模光纤中。所述的光纤耦合器，其特征在于可将多个单模光纤中的光耦合到一根单模光纤中，可通过串联多根拉锥光纤耦合器或采用波导阵列光栅实现。经过上述步骤，不同模式的脉冲簇经过了不同的时延，从而实现将脉冲簇的空间模式映射到时域上。
从单模光纤从输出的光经过色散傅里叶变换系统进行光谱特性。首先通过具有大的总色散值的色散光纤。所述的色散光纤，其特征在于具有大的总色散值，可采用色散补偿光纤或长距离的单模光纤实现，其作用为利用色散傅里叶变换的方法将频域信息映射到时域上。接着通过高速光电探测系统对上述光信号进行探测。所述的高速光电探测系统，其特征在于由高速光电探测器和高速实时示波器构成，可实现高速信号探测。通过记录映射到时域上的空间模式和光谱信息，可以实现对时空光谱的高速测试。
本发明的优点和有益效果：
传统的基于光谱仪的光谱探测方法只能测试一段时间内的平均光谱，不能满足复杂的非线性系统的需求。本发明所述的多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量的方法和装置，将模分复用和色散傅里叶变换技术相结合，通过将空间模式和光谱的信息映射到时域上，从而实现对每个多模脉冲簇的时空光谱信息进行逐个记录。本发明实施例为多模光纤中非线性动力学过程的研究提供了必要的测试方案与系统。
附图说明
图1是依据本发明的多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量装置的结构示意图。
图中：1、多模光纤；2、模式解复用器；3、可调光衰减器；4、光纤延迟线；5、光纤耦合器；6、色散光纤；7、高速光电探测器；8、电缆；9、高速实时示波器。此外图中未标注连线均为单模光纤。
图2为基于串联不对称光纤耦合器的模式解复用器示意图。
图中：1、多模光纤；10、模式耦合器I；11、模式耦合器II；12、多模光纤与单模光纤连接点；13、单模光纤输出端口I；14、单模光纤输出端口II；15、单模光纤输出端口III。
具体实施方式
多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量装置的一个具体实施方案如图1所示，包括模式解复用器2、可调光衰减器3、光纤延迟线4、光纤耦合器5、色散光纤6、高速光电探测系统；所述模式解复用器2、可调光衰减器3、光纤延迟线4、光纤耦合器5、色散光纤6、高速光电探测系统通过光纤顺次连接，实现从空间和频域到时域的映射和时域的高速数据采集，其中所述的高速光电探测系统由高速光电探测器7和与其通过电缆8连接的高速实时示波器9构成。在本实施例中设定脉冲簇具有3个光纤模式，但是本发明所提出的方法和装置可以对2个或更多的光纤模式的脉冲簇进行研究，所研究的模式数目只受限于模式解复用器所能够分解的模式数目。
从图1可见，从多模光纤1进入的多模脉冲簇经过模式解复用器2后分解到3根不同的单模光纤中，每根光纤记录一个原脉冲簇所包含的空间模式成分的信息。接着分别调节3路光脉冲的延迟。由于对于测试而言，只需要调整3路光信号延迟的相对值就可以，因此在装置中只需要在其中的两路连接光纤延迟线4。通过在调节光纤延迟线4使脉冲在到达光纤耦合器5时传输相对的时延。当通过耦合器将其合并到一根单模光纤时，原来不同模式的脉冲簇出现在不同的时间，实现了将空间信息就转换到时域上。接着这些光脉冲簇进一步通过色散光纤6。色散光纤6可以采用色散补偿光纤，也可以采用普通的单模光纤。在色散光纤中，不同脉冲中不同频率的光传播速度不同，从而在输出端将脉冲的光谱信息也转换到时域上。最后将色散光纤6输出的光连接到高速光电探测器7上，并利用高速实时示波器记录光强的变化，从而实现了对时空光谱信息的高速测量。
本实施例中模式解复用器2可采用如图2所示的串联模式耦合器结构。这些模式耦合器可以通过多模光纤和单模光纤不对称拉锥实现，通过拉锥区域多模光纤1中的高阶模式和单模光纤中的基模谐振效应，将多模光纤中特定的高阶模式耦合到单模光纤的基模上，并从单模光纤输出。图2中的模式耦合器10和11是两个不同的模式耦合器，分别将两个不同的高阶模式耦合到单模光纤中，最后多模光纤1传输的基模通过直接熔接的方式耦合到单模光纤，从而实现将多模光脉冲簇的不同模式分解到不同的单模光纤中。
Claims (9)
1.一种多模光脉冲簇时空光谱信息高速测量的方法，所述的多模光脉冲簇在空间上包括多个不同的光纤模式，在时间上由一个或多个光脉冲组成，脉冲簇的时间宽度在10飞秒到100皮秒之间，两个待测孤子簇之间的时间间隔大于每个脉冲簇宽度的100倍，该测量方法的特征在于，包括以下步骤：
S1. 利用模式解复用器将多模光脉冲簇中不同光纤模式的光成分转化为光纤基模并分解到不同的单模光纤中；
S2. 利用可调衰减器对单模光纤中的光进行适当的衰减，以减小非线性效应对测试精度的影响；
S3. 利用光纤延迟线调整不同单模光纤中传播的光的时延，然后利用光纤耦合器将其耦合到同一根单模光纤中，由于原来在不同空间模式上的光成分在单模光纤中具有不同的时延，从而实现将空间信息映射到时域上；
S4. 将步骤S3中合成的单模光纤中的光通过色散光纤，使脉冲簇在时域上发生展宽，并将光谱的信息映射到时域上，最后利用高速光电探测器和高速实时示波器对时域信息进行探测，从而实现对各模式光谱信息的高速测量。
2.一种实现权利要求1所述方法的测试装置，其特征在于包括：模式解复用器、可调光衰减器、光纤延迟线、光纤耦合器、色散光纤、高速光电探测系统；所述模式解复用器、可调光衰减器、光纤延迟线、光纤耦合器、色散光纤、高速光电探测系统通过单模光纤顺次连接，实现从空间和频域到时域的映射和时域的高速数据采集；
所述的高速光电探测系统由高速光电探测器和与其通过电缆连接的高速实时示波器构成，可实现高速信号探测。
3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的模式解复用器将少模光纤中不同模式传输的光转化为基模，并分解到不同单模光纤中传输。
4.根据权利要求2或3所述的测试装置，其特征在于：所述的模式解复用器，采用光子灯笼实现，光子灯笼通过多根不同结构的单模光纤合束拉锥实现模式解复用功能，其输入端接口可传输多个模式，该输入端接口与少模光纤直接连接；输出端为多端口结构，每个端口与普通单模光纤直接连接，少模光纤中输出的不同模式的光都转化为单模光纤的基模，并分别从不同的端口输出。
5.根据权利要求2或3所述的测试装置，其特征在于：所述的模式解复用器，采用串联不对称光纤耦合器结构，不对称光纤耦合器由少模光纤和单模光纤拉锥实现，通过谐振耦合效应可以将少模光纤中输入光中的一个高阶模式转化为基模，并从单模光纤输出，其它模式继续在少模光纤中传输，将多个不对称光纤模式耦合器串联，每个耦合器下载一个特定的模式，从而实现模式分离。
6.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的可调光衰减器两端与标准单模光纤直接连接，对输入光的损耗可连续调节，其作用是避免非线性效应对测试精度的影响。
7.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的光纤延迟线可改变输出激光的时延，其作用是实现不同空间模式的光在时域的分离。
8.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的光纤耦合器可将多个单模光纤中的光耦合到一根单模光纤中，通过串联多根拉锥光纤耦合器或采用波导阵列光栅实现。
9.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于：所述的色散光纤具有大的总色散值，采用色散补偿光纤或长距离的单模光纤实现，其作用为利用色散傅里叶变换的方法将频域信息映射到时域上。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200117 Termination date: 20200724 |