CN108110599A - 一种2μm波段的光孤子产生装置 - Google Patents

一种2μm波段的光孤子产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种2μm波段的光孤子产生装置，包含掺铒光纤放大器、第一波分复用器、用于实现群速度匹配的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器、中间耦合器、光隔离器、输出耦合器、单模光纤、种子光、第三波分复用器以及掺铥光纤。本发明的2μm波段的光孤子产生装置能调节泵浦光以及腔内各参数，得到一个2μm波段的高重频光孤子，光孤子为近变换极限的双曲正割型光孤子，本发明可以产生重频达到40GHz的高重频近变换极限光孤子。

Description

一种2μm波段的光孤子产生装置
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体地说，涉及一种2μm波段高重频近变换极限光孤子的产生装置。
背景技术
光孤子是一种特殊形式的超短光脉冲，是由光纤中的群速度色散以及自相位调制的共同作用形成的。光孤子在传播过程中能够保持其形状不变，具有传输容量大、误码率低、抗干扰能力强以及不用中继站等优点，在光孤子通信领域具有广泛的应用前景。现有的光孤子通信试验系统主要采用锁模激光器作为光孤子源，特别地，由于掺铥光纤具有较大的增益范围，使得在未来高数据速率和高容量光孤子通信方面，2μm波段(1.8μm～2.3μm)具有较大的发展潜力，同时因为具有高重复率的脉冲激光源是传统和未来光纤通信系统的关键模块之一，使得作为光孤子源的2μm波段高重频锁模激光器在未来将面临巨大的发展。根据变换极限理论，对于给定的脉冲持续时间，满足变换极限的脉冲是具有可能的最小频谱宽度的脉冲，若在光纤通信中发射接近变换极限的脉冲可以使信号光在光纤中传输时受到色散的影响最小化，从而使得传输距离最大化，因此2μm波段的高重频近变换极限光孤子源就显得尤为重要。但是目前工作在2μm波段的锁模激光器仍然存在两个方面的问题，一方面是高重复频率较难实现，绝大部分被动锁模激光器工作在基频输出模式，其输出脉冲的重复频率受限于腔长，难以达到几十GHz的水平。而对于主动锁模激光器，传统的电光调制器虽然可以作为锁模器件实现锁模，但是仍然存在两个局限，一是价格昂贵，二是与传统的1.55μm通信波段(1530nm～1565nm)相比，其调制速率较低；另一方面是，现有的2μm波段的锁模激光器较难实现高重频近变换极限的光孤子输出。因此，为了实现具有高重复率的近变换极限的光孤子输出，采用在光纤中具有～fs响应时间的全光调制是一种解决方法，将主动锁模激光器与外界泵浦源进行同步，利用1.55μm泵浦光与2μm信号光之间的交叉相位调制作用实现激光器的主动锁模。基于此构成的主动锁模光纤激光器可以作为一种光孤子产生装置，通过调节泵浦源以及腔内参数，在2μm波段产生同时具有高重复频率与近变换极限性质的光孤子。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述的现有技术中无法实现2μm波段高重频近变换极限光孤子输出的问题，提供了一种2μm波段高重频近变换极限光孤子的产生装置。
根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种2μm波段的光孤子产生装置，包含：
掺铒光纤放大器，用于产生1.55μm波段的泵浦光脉冲；
非线性光纤环形镜，包含依次连接成环形的第一波分复用器、用于实现群速度匹配的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器以及中间耦合器；以及，
依次连接成环形的所述中间耦合器、光隔离器、用于输出2μm波段光孤子的输出耦合器、单模光纤、用于接入种子光的第三波分复用器及掺铥光纤；
掺铒光纤放大器的输出端连接第一波分复用器的1.55μm波段光输入端，第一波分复用器还具有第一输入输出端口和第二输入输出端口，第一波分复用器的第二输入输出端口连接碲酸盐光子晶体光纤的第一输入输出端，第二波分复用器具有第一输入输出端口、第二输入输出端口以及1.55μm波段光输出端口，第二波分复用器具有第一输入输出端口连接碲酸盐光子晶体光纤的第二输入输出端，中间耦合器具有第一输入输出端口、第二输入输出端口、输入端口及输出端口，中间耦合器的第一输入输出端口连接第二波分复用器的第二输入输出端口，中间耦合器的第二输入输出端口连接第一波分复用器的第一输入输出端口，中间耦合器的输出端口连接光隔离器的输入端，输出耦合器具有输入端口、输出端口以及光孤子输出端口，输出耦合器的输入端口连接光隔离器的输出端，输出耦合器的输出端口连接单模光纤的输入端口，第三波分复用器具有种子光输入端口、输入端口、输出端口，第三波分复用器的输入端口连接单模光纤的输出端口，第三波分复用器的输出端口连接掺铥光纤的输入端口，掺铥光纤的输出端口连接中间耦合器的输入端口。
所述1.55μm波段的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：掺铒光纤放大器、第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流出；
种子光的流向顺次为：第三波分复用器、掺铥光纤；其中种子光在经过掺铥光纤时产生2μm波段的光；
所述2μm波段的光的流向顺次为：掺铥光纤、非线性光纤环形镜、光隔离器、输出耦合器、单模光纤、第三波分复用器，然后流回掺铥光纤。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，所述光孤子产生装置的各部分的连接关系还被下述信号的流向所限定：
2μm波段的光流入和流出非线性光纤环形镜的过程为：2μm波段的光流入中间耦合器后分为两路，一路流向顺次为：第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流回中间耦合器，另一路流向为：第二波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第一波分复用器，然后流回中间耦合器两路信号的输出在中间耦合中合为一路输出至光隔离器。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，还包括：
第四波分复用器，连接在掺铥光纤与中间耦合器之间，所述2μm波段的光由掺铥光纤流向非线性光纤环形镜具体为：由掺铥光纤流向第四波分复用器，再流向非线性光纤环形镜；所述种子光经由掺铥光纤流入第四波分复用器后流出。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，还包括：
环形腔，所述单模光纤、所述掺铥光纤以及所述碲酸盐光子晶体光纤位于该环形腔内。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，碲酸盐光子晶体光纤为可以实现1.55μm波段与2.025μm波段的群速度匹配的非线性光纤，具有多层空气孔的正六边形结构，纤芯直径为8μm，包层直径为57μm，空气孔之间的距离为4μm。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，所述碲酸盐光子晶体光纤可以实现1.55μm波段与2.025μm波段脉冲的群速度匹配，作为所述光孤子产生装置的锁模元器件，通过强度调制来实现主动锁模。。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，所述中间耦合器为3dB耦合器，分光比是50:50。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，所述的单模光纤长度为0.1m～2m，所述掺铥光纤长度为0.4m～2.0m，所述碲酸盐光子晶体光纤的长度为0.9445m，所用泵浦脉宽为1.5ps～5ps，所述掺铥光纤增益为0.3dB/m～0.9dB/m。
优选地，在本发明的光孤子产生装置中，所述光孤子产生装置用于产生2μm波段的双曲正割型光孤子脉冲。
实施本发明的2μm波段的光孤子产生装置，具有以下有益效果：能调节泵浦光以及腔内各参数，得到一个2μm波段的高重频光孤子，光孤子为近变换极限的双曲正割型光孤子，本发明可以产生重频达到40GHz的高重频近变换极限光孤子。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的2μm波段的光孤子产生装置一实施例的整体结构图；
图2是本发明的图1的2μm波段的光孤子产生装置中群速度匹配碲酸盐光纤晶体光纤结构图；
图3是本发明的图1的2μm波段的光孤子产生装置中时间带宽积随掺铥光纤长度的变化图；
图4是本发明的图1的2μm波段的光孤子产生装置中时间带宽积随增益的变化图；
图5是本发明的图1的2μm波段的光孤子产生装置中时间带宽积随泵浦脉宽的变化图；
图6是本发明的图1的2μm波段的光孤子产生装置产生的孤子脉冲图；
图7是本发明的图1的2μm波段的光孤子产生装置产生的孤子光谱图；
图8是本发明的2μm波段的光孤子产生装置另一实施例的整体结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参考图1，掺铒光纤放大器101的作用是产生1.55μm波段(尤其是1.55μm波长)的泵浦光脉冲，并注入非线性光纤环形镜的第一波分复用器102中。非线性光纤环形镜包含依次连接成环形的第一波分复用器102、用于实现群速度匹配的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器103以及中间耦合器104。1.55μm波段的泵浦光脉冲通过第一波分复用器102耦合入碲酸盐光子晶体光纤，1.55μm波段的泵浦光脉冲从第二波分复用器103流出，后续的2μm波段的光也可通过第一波分复用器102、第二波分复用器103与碲酸盐光子晶体光纤进行耦合。中间耦合器104为3dB耦合器,其分光比是50:50，107表示793nm波长种子光，其为光脉冲，作为泵浦源，第三波分复用耦合器108将种子光耦合入掺铥光纤中，光隔离器105其作用是保证光沿着光隔离器105中箭头所示的单向传输而隔离反向传输的光，输出耦合器106作用是输出光隔离器105传输来的光中的2μm波段的光孤子作为光孤子产生装置输出的2μm波段光孤子(应当理解，本发明中输出的2μm波段光孤子中主要是2.025μm波长的光孤子)。光孤子产生装置包括激光器环形腔，上述的单模光纤、掺铥光纤以及碲酸盐光子晶体光纤位于环形腔内。
在操作过程，掺铥光纤作为增益介质可以提供较大的增益，当谐振腔内增益大于损耗时，可以通过振荡不断对光脉冲进行放大。单模光纤的作用是调节谐振腔内的色散，具有高非线性的碲酸盐光子晶体光纤可以实现1.55μm与2.025μm脉冲的群速度匹配，作为光孤子产生装置的锁模元器件，可以通过强度调制来实现主动锁模。
掺铒光纤放大器101的输出端连接第一波分复用器102的1.55μm波段光输入端，第一波分复用器102具有第一输入输出端口(图中102的右下角处)和第二输入输出端口(图中102的右上角处)，第一波分复用器102的第二输入输出端口连接碲酸盐光子晶体光纤的第一输入输出端(图中碲酸盐光子晶体光纤的左侧处)，第二波分复用器103具有第一输入输出端口(图中103的上方中间处)、第二输入输出端口(图中103的下方中间处)以及1.55μm波段光输出端口，第二波分复用器103具有第一输入输出端口连接碲酸盐光子晶体光纤的第二输入输出端(图中碲酸盐光子晶体光纤的右侧处)，中间耦合器104具有第一输入输出端口(图中104的右上端)、第二输入输出端口(图中104的左上端)、输入端口(图中104的左下端)及输出端口(图中104的右下端)，中间耦合器104的第一输入输出端口连接第二波分复用器103的第二输入输出端口，中间耦合器104的第二输入输出端口连接第一波分复用器102的第一输入输出端口，中间耦合器104的输出端口连接光隔离器105的输入端(图中105的上方处)，输出耦合器106具有输入端口(图中106的右方处)、输出端口(图中106的左方中间处)以及光孤子输出端口(图中106的左下方处)，输出耦合器106的输入端口连接光隔离器105的输出端(图中105的下方处)，输出耦合器106的输出端口单模光纤的输入端口(图中单模光纤的右侧)，第三波分复用108具有种子光输入端口(图中108的右上方处)、输入端口(图中108的右方中间处)、输出端口(图中108左方处)，第三波分复用108的输入端口连接单模光纤的输出端口(图中单模光纤的左侧)，第三波分复用108的输出端口连接掺铥光纤的输入端口(图中掺铥光纤的下方处)，掺铥光纤的输出端口(图中掺铥光纤的上方处)连接中间耦合器104的输入端口。在本实施例中，1.55μm波长泵浦光脉冲的流向为：掺铒光纤放大器101、第一波分复用器102、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器103，然后从上述1.55μm波段光输出端口流出。
793nm波长的种子光的流向为：第三波分复用器108→掺铥光纤→非线性光纤环形镜→光隔离器105→输出耦合器106→单模光纤，然后流回第三波分复用器108；其中种子光在经过掺铥光纤时产生2μm波段(2.025μm波长)的光。
2μm波段的光的流向顺次为：掺铥光纤→非线性光纤环形镜→光隔离器105→输出耦合器106→单模光纤→第三波分复用器108，然后流回掺铥光纤。
2μm波段的光以及种子光流入和流出非线性光纤环形镜的过程为：2.025μm波长(或种子光)的光从图1中中间耦合器104的左下端流入中间耦合器104[1]分为两路，一路在非线性光纤环形镜中顺时针流，流向顺次为：第一波分复用器102[0.5]、碲酸盐光子晶体光纤[0.5]、第二波分复用器103[0.5]，然后流回中间耦合器104[0.5]，另一路流向为：第二波分复用器103[0.5]、碲酸盐光子晶体光纤[0.5]、第一波分复用器102[0.5]，然后流回中间耦合器104[0.5]，两路信号的输出在中间耦合104中合为一路[0.5]输出至光隔离器105。关于本段描述中[]中数值，是指流入中间耦合器104的信号强度为单位1时，经过3dB耦合器后在其他各部分上的信号强度，且在本段中忽略了在非线性光纤环形镜中的传输衰减。
请参考图2，碲酸盐光子晶体光纤是一种具有高非线性的群速度匹配光子晶体光纤，其为多层空气孔的正六边形结构，其纤芯直径a为8μm，所述光纤的包层直径b为57μm，所述光纤的空气孔之间的距离p为4μm，在2μm波段的非线性系数为143.6W-1km-1，可以实现1.55μm及2.025μm波段的群速度匹配，其中群速度为一阶色散系数β1的倒数。应当理解的是，本实施例的碲酸盐光子晶体光纤仅作为一种实施例进行提出，其他碲酸盐光子晶体光纤也可以应用于本实施例。
本实施例采用“掺铒光纤放大器-波分复用耦合器-碲酸盐光子晶体光纤-波分复用耦合器-3dB耦合器-光隔离器-输出耦合器-单模光纤-波分复用器-掺铥光纤”的操作流程，将掺铥光纤的泵浦光功率调至300mW以上，使激光器处于自由震荡的状态，向非线性光纤环形镜注入1.55μm的泵浦光脉冲，峰值功率为10W,重复频率为40GHz,单模光纤、掺铥光纤以及碲酸盐光子晶体光纤所对应的非线性系数分别是：1W-1km-1、3W-1km-1、以及143.6W- 1km-1。
以变换极限理论为基础，本发明实施例逐一优化泵浦源以及腔内参数包括掺铥光纤长度、增益、以及泵浦脉宽，以此来降低脉冲的时间带宽积(时间带宽积＝脉宽×3dB带宽)，从而实现2μm波段高重频近变换极限光孤子的稳定输出。请参考图3，图3为时间带宽积随着掺铥光纤长度的变化关系图，在增益和泵浦脉宽分别为0.5dB/m、1.8ps的条件下，改变掺铥光纤的长度，可以得到当掺铥光纤长度为0.88m时，有最小时间带宽积0.379；在此条件下，优化增益系数，请参考图4，图4为脉冲时间带宽积随着增益的变化图，本发明实施例将增益从0.45dB/m调节至0.55dB/m，当增益为0.52dB/m时，时间带宽积可进一步降低至0.372；在此基础上，继续优化泵浦脉宽，请参考图5，当泵浦脉宽为4ps时，时间带宽积为0.358；通过分析以上各参数的作用，本发明实施例进一步优化了腔内的增益系数，当增益为0.79dB/m时，得到的最小时间带宽积为0.327，与变换极限～0.315接近。该结果表明，在泵浦脉宽为4ps、掺铥光纤长度为0.88m以及增益为0.79dB/m的稳定状态下，图1所述光孤子产生装置实现了近变换极限的双曲正割型光孤子脉冲的输出。所述一种2μm波段高重频近变换极限光孤子的产生装置产生的近变换极限光孤子脉冲图及其光谱图如图6、图7所示，脉冲宽度为696fs，所产生光孤子脉冲的重复频率为40GHz。
根据上述方案可知，本发明一种2μm波段高重频近变换极限光孤子的产生装置，可以在一个主动锁模掺铥光纤激光器系统中，通过调节泵浦光以及腔内各参数包括掺铥光纤长度、增益系数以及泵浦脉宽，实现2μm波段高重频光孤子的输出，所述光孤子为近变换极限的双曲正割型光孤子，所述光孤子产生装置可以有效的产生重频超过40GHz的高重频近变换极限光孤子。
参考图8，其为本发明的2μm波段的光孤子产生装置另一实施例的整体结构图。本实施例的的光孤子产生装置与上述实施例的不同仅在于还包括波分复用器109，波分复用器109连接在掺铥光纤与中间耦合器104之间，波分复用器109包括输入端口(图中109的左方处)、输出端口(图中109的右中方处)以及种子光输出端口(图中109的右下方处)，掺铥光纤的输出端连接波分复用器109的输入端口，波分复用器109的输出端口连接至中间耦合器104的输入端，掺铥光纤产生的2μm波段的光由掺铥光纤流向非线性光纤环形镜具体为：由掺铥光纤流向波分复用器109，再流向非线性光纤环形镜；种子光经由掺铥光纤流入波分复用器109后由种子光输出端口流出。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种2μm波段的光孤子产生装置，其特征在于，包含：
掺铒光纤放大器，用于产生1.55μm波段的泵浦光脉冲；
非线性光纤环形镜，包含依次连接成环形的第一波分复用器、用于实现群速度匹配的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器以及中间耦合器；以及，
依次连接成环形的所述中间耦合器、光隔离器、用于输出2μm波段光孤子的输出耦合器、单模光纤、用于接入种子光的第三波分复用器及掺铥光纤；
掺铒光纤放大器的输出端连接第一波分复用器的1.55μm波段光输入端，第一波分复用器还具有第一输入输出端口和第二输入输出端口，第一波分复用器的第二输入输出端口连接碲酸盐光子晶体光纤的第一输入输出端，第二波分复用器具有第一输入输出端口、第二输入输出端口以及1.55μm波段光输出端口，第二波分复用器具有第一输入输出端口连接碲酸盐光子晶体光纤的第二输入输出端，中间耦合器具有第一输入输出端口、第二输入输出端口、输入端口及输出端口，中间耦合器的第一输入输出端口连接第二波分复用器的第二输入输出端口，中间耦合器的第二输入输出端口连接第一波分复用器的第一输入输出端口，中间耦合器的输出端口连接光隔离器的输入端，输出耦合器具有输入端口、输出端口以及光孤子输出端口，输出耦合器的输入端口连接光隔离器的输出端，输出耦合器的输出端口连接单模光纤的输入端口，第三波分复用器具有种子光输入端口、输入端口、输出端口，第三波分复用的输入端口连接单模光纤的输出端口，第三波分复用的输出端口连接掺铥光纤的输入端口，掺铥光纤的输出端口连接中间耦合器的输入端口。
2.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，所述1.55μm波段的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：掺铒光纤放大器、第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流出；
种子光的流向顺次为：第三波分复用器、掺铥光纤；其中种子光在经过掺铥光纤时产生2μm波段的光；
所述2μm波段的光的流向顺次为：掺铥光纤、非线性光纤环形镜、光隔离器、输出耦合器、单模光纤、第三波分复用器，然后流回掺铥光纤；
2μm波段的光流入和流出非线性光纤环形镜的过程为：2μm波段的光流入中间耦合器后分为两路，一路流向顺次为：第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流回中间耦合器，另一路流向为：第二波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第一波分复用器，然后流回中间耦合器两路信号的输出在中间耦合中合为一路输出至光隔离器。
3.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，还包括：
第四波分复用器，连接在掺铥光纤与中间耦合器之间，所述2μm波段的光由掺铥光纤流向非线性光纤环形镜具体为：由掺铥光纤流向第四波分复用器，再流向非线性光纤环形镜；所述种子光经由掺铥光纤流入第四波分复用器后流出。
4.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，还包括：
环形腔，所述单模光纤、所述掺铥光纤以及所述碲酸盐光子晶体光纤位于该环形腔内。
5.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，碲酸盐光子晶体光纤为可以实现1.55μm波段与2.025μm波段的群速度匹配的非线性光纤，具有多层空气孔的正六边形结构，纤芯直径为8μm，包层直径为57μm，空气孔之间的距离为4μm。
6.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，所述碲酸盐光子晶体光纤可以实现1.55μm波段与2.025μm波段脉冲的群速度匹配，作为所述光孤子产生装置的锁模元器件，通过强度调制来实现主动锁模。
7.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，所述中间耦合器为3dB耦合器，分光比是50:50。
8.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，所述的单模光纤长度为0.1m～2m，所述掺铥光纤长度为0.4m～2.0m，所述碲酸盐光子晶体光纤的长度为0.9445m，所用泵浦脉宽为1.5ps～5ps，所述掺铥光纤增益为0.3dB/m～0.9dB/m。
9.根据权利要求1所述的光孤子产生装置，其特征在于，所述光孤子产生装置用于产生2μm波段的双曲正割型光孤子脉冲。
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