CN108242759B - 一种超短光脉冲产生设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超短光脉冲产生设备，用以解决现有技术中存在的超短脉冲的产生方案的不能产生稳定的高质量无啁啾的超短光脉冲的问题。本发明实施例提供了一种超短光脉冲产生设备，该设备包括激光产生模块、相位调制模块、第一色散介质、强度调制器、补偿模块以及射频电源模块；所述激光产生模块、所述相位调制模块、所述第一色散介质、所述强度调制器以及所述补偿模块依次连接；所述射频电源模块分别为所述相位调制模块和所述强度调制器提供射频信号。第一色散介质可以拉伸经过相位调制模块处理的光信号中的啁啾区域，与射频电源模块驱动的强度调制器配合可以有效去除非线性啁啾，补偿模块可以去除线性啁啾，最终产生稳定的无啁啾超短光脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种超短光脉冲产生设备。
背景技术
超短脉冲在光学中是指延续时间在飞秒(10负15次方秒)数量级或更短的电磁脉冲。在生物理疗领域，通信技术领域，微结构加工领域都有广泛的应用。目前可以利用锁模激光器产生超短脉冲光，也可以基于直流光进行外调制产生超短脉冲光。也有研究者提出由锁模激光器或直流光外调制产生种子光脉冲，之后注入基于光纤高非线性效应的非线性压缩级产生了高重复频率近高斯型超短光脉冲。
在目前超短脉冲的产生方案存在一定的缺陷，例如利用锁模激光器产生超短脉冲光的方案中，主动锁模光纤激光器易受震动、温度等环境影响，造成波长和相位的抖动，工作稳定性差。半导体锁模激光器虽然具有工作稳定性好、体积小等优势。但是，半导体锁模激光器输出功率较低，重复频率和波长调谐性差。
而在直流光外调制方案中，采用单个或级联强度调制器作为光开关，方案简单，但是输出脉冲的占空比高。采用相位调制器(PM)对直流光进行相位调制，使脉冲光谱显著展宽，更有利于实现脉冲的压缩。为抑制相位调制引入的非线性啁啾，通常采用级联相位调制器和强度调制器方案，但是，强度调制器开关窗口较宽，无法充分抑制非线性啁啾，输出脉冲具有明显的基座。
一般来说，采用非线性压缩级为了激发光纤的高非线性效应，在产生超短光脉冲的过程中需要采用高功率光纤放大器对种子脉冲进行功率放大，但会导致脉冲光信噪比恶化。
综上，现有的超短脉冲的产生方案不能产生稳定的高质量的超短光脉冲。
发明内容
本发明提供一种超短光脉冲产生设备，用以解决现有技术中存在的超短脉冲的产生方案的不能产生稳定的高质量无啁啾的超短光脉冲的问题。
本发明实施例提供了一种超短光脉冲产生设备，该设备包括激光产生模块、相位调制模块、第一色散介质、强度调制器、补偿模块以及射频电源模块；
所述激光产生模块、所述相位调制模块、所述第一色散介质、所述强度调制器以及所述补偿模块依次连接；
所述射频电源模块分别为所述相位调制模块和所述强度调制器提供射频信号。
所述补偿模块用于对所述强度调制器输出的光信号进行线性啁啾补偿。
第一色散介质可以拉伸经过相位调制模块处理的光信号中的非啁啾区域，与射频电源模块驱动的强度调制器配合可以有效去除非线性啁啾，补偿模块对光信号中的线性啁啾进行补偿，使得产生稳定的无啁啾超短光脉冲。
可选的，所述强度调制器包括多个马赫曾德尔调制器MZM。
多个马赫曾德尔调制器MZM组合可以产生开关窗口宽度较小的光开关。
可选的，所述强度调制器为双平行马赫曾德尔调制器。
双平行马赫曾德尔调制器可以产生开关窗口宽度较小的高斯型光开关。
可选的，所述补偿模块为第二色散介质，所述第二色散介质与所述第一色散介质具有相反的色散特性。
只有所述第二色散介质和所述第一色散介质的色散特性相反才能去除线性啁啾。
可选的，所述激光产生模块为激光器，用于产生直流光信号。
可选的，所述相位调制模块包含至少一个相位调制器，所述相位调制器用于对所述激光产生模块的直流光信号进行相位调节。
光信号经过相位调制器可以使光信号具有与射频电源的射频信号相对应的相位。
可选的，所述射频电源模块包括射频电源和移相器，所述射频电源为所述相位调制模块提供射频信号，所述射频电源经过所述移相器为所述强度调制器提供射频信号，其中，所述移相器可以调节所述射频电源输出的射频信号的相位。
射频电源和移相器的组合可以调节提供的射频信号的相位，使输入到相位调制模块的射频信号和输入到强度调制器的射频信号具有一定的相位差，有利于强度调制器抑制光信号中非线性啁啾。
可选的，所述第二色散介质和所述第一色散介质为下列材质中的一种：色散补偿光纤DCF、单模光纤SMF、光纤布拉格光栅FBG。
可选的，所述第二色散介质的长度是根据所述第二色散介质的色散特性和所述第一色散介质确定的。
第二色散介质选择适当的长度才能使光信号中的线性啁啾去除。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种超短光脉冲产生设备结构示意图；
图2为本发明实施例超短光脉冲产生设备中相位调制模块的结构示意图；
图3为本发明实施例双平行马赫曾德尔调制器的结构示意图；
图4为本发明实施例双平行马赫曾德尔调制器的射频信号输入端示意图；
图5为本发明实施例双平行马赫曾德尔调制器的直流偏置调节端口示意图；
图6为本发明实施例的另一种超短光脉冲的产生设备的结构示意图；
图7为本发明实施例经过相位调制器后具有啁啾的直流光信号的光谱图；
图8为本发明实施例第一色散介质输出端口的光脉冲的波形和DPMZM调整的开关窗口曲线示意图；
图9为本发明实施例经DPMZM调制后的光脉冲的波形图；
图10为本发明实施例经DPMZM调制后的光脉冲的光谱图；
图11为本发明实施例第二色散介质输出端口的光脉冲的波形和高斯函数曲线的拟合图；
图12为本发明实施例第二色散介质输出端口的光脉冲经过光时分复用器复用后的信号眼图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施例一种超短光脉冲产生设备，该设备包括激光产生模块100、相位调制模块101、第一色散介质102、强度调制器103、补偿模块104以及射频电源模块105；
所述激光产生模块100、所述相位调制模块101、所述第一色散介质102所述强度调制器103以及所述补偿模块104依次连接；
所述射频电源模块105分别为所述相位调制模块101和所述强度调制器103提供射频信号。
所述激光产生模块可以是激光器，能够产生直流光信号，激光器只是举例说明，凡是可以产生直流光信号的器件均可以作为激光产生模块。
所述相位调制模块用于对激光产生模块产生的直流光信号进行相位调节，由于所述射频电源模块为所述相位调制模块提供的信号为射频信号，使得光信号在经过由射频信号驱动的所述相位调制模块后，直流光信号中包含了啁啾及与射频信号对应的相位变化。
所述补偿模块用于对所述强度调制器输出的光信号进行线性啁啾补偿。
如图2所示，所述相位调制模块200包含至少一个相位调制器201，所述相位调制器用于对所述激光产生模块的直流光信号进行相位调节。
所述射频电源模块可以为所述相位调制模块包含的相位调制器提供射频信号。
需要说明的是，所述射频电源模块提供的射频信号可以是余弦RF(RadioFrequency，射频)信号也可以是正弦RF信号；
激光产生模块产生的直流光信号经过余弦射频信号驱动的相位调制模块后，直流光信号上有正弦啁啾和余弦相位；
激光产生模块产生的直流光信号经过正弦射频信号驱动的相位调制模块后，直流光信号上有余弦啁啾和正弦相位。
当相位调制模块输出的光信号在第一色散介质中传播时，由于存在群速度色散效应，也即光信号中不同组成部分在第一色散介质中的群速度和传播速度不同，使得光信号在经过一定长度的第一色散介质后，光信号会有所变化；
对于色散介质来说，其色散系数可以为正也可以为负。
以光信号经过相位调制模块后包含有正弦啁啾和余弦相位为例；
当第一色散介质的色散系数为正时，当相位调制模块输出的光信号在第一色散介质中传播时，光信号中高频瞬时频率分量的群速度小，光信号中低频瞬时频率分量的群速度大；光信号中高频瞬时频率分量的传输速度大于光信号中低频瞬时频率分量。光信号在第一色散介质中传输一段距离后，高频瞬时频率分量和低频瞬时频率分量在时域上逐渐远离，光信号的正啁啾区域被拉伸，光信号的负啁啾区域被挤压，其中，正啁啾区域形成光信号的基底部分，对应的正啁啾线性区宽度和二次型相位宽度明显增大。
当第一色散介质的色散系数为负时，当相位调制模块输出的光信号在第一色散介质中传播时，光信号中的低频瞬时频率分量的群速度小，光信号中的高频瞬时频率分量的群速度大；光信号中的低频瞬时频率分量的传输速度大于光信号中的高频瞬时频率分量。光信号在第一色散介质中传输一段距离后，低频瞬时频率分量和高频瞬时频率分量在时域上逐渐远离，光信号的负啁啾区域被拉伸，光信号的正啁啾区域被挤压，其中，负啁啾区域形成光信号的基底部分，对应的负啁啾线性区宽度和二次型相位宽度明显增大。
由于光信号在经过相位调制模块后使得光信号中存在非线性啁啾，为了保证最后输出的光信号为近无啁啾的光脉冲，应抑制光信号的中非线性啁啾；
利用强度调制器抑制光信号中的非线性啁啾；由射频信号驱动的强度调制器可以形成具有一定宽度开关窗口的光开关，可以有效抑制输入到强度调制器的光信号中的非线性啁啾。
所述强度调制器可以是多个马赫曾德尔调制器(MZM)也可以是一个双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)；
对于一个马赫曾德尔调制器来说，产生的光开关的开关窗口宽度较大，不能完全抑制非线性啁啾，同时产生的光开关也不是高斯型的光开关；
故，可以利用多个马赫曾德尔调制器进行组合以产生开关窗口宽度较小的光开关。
其中，如图3所示，双平行马赫曾德尔调制器属于集成器件，由两个MZM也即MZM1和MZM2，嵌入到一个MZM也即MZM3中构成，可以分别在MZM1和MZM2加载射频信号。
对于双平行马赫曾德尔调制器，由于是有多个马赫曾德尔调制器集成的，光开关的开关窗口宽度调节范围更大，可以形成开关窗口宽度较小的光开关，可以较好的抑制非线性啁啾，调节两个马赫曾德尔调制器上的射频信号可以形成高斯型的光开关。
较佳的，所述强度调制器可以选择双平行马赫曾德尔调制器。
如图4所示，调节双平行马赫曾德尔调制器，可以使得双平行马赫曾德尔调制器中的两个马赫曾德尔调制器分别由不同的射频信号RF1和RF2驱动，以形成不同的光开关。
如图5所示，双平行马赫曾德尔调制器存在三个直流偏置调节端口V1、V2、V3，分别对应与MZM1、MZM2以及MZM1和MZM2的连接处。同时调节RF1、RF2以及三个直流偏置调节端口可以形成不同的光开关；
例如，可以设置MZM1由正弦设射频信号驱动，MZM2的射频信号端口开路时，调节三个直流偏置，可以形成不同的光开关。
所述强度调制器是由射频电源模块提供的射频信号驱动的；
所述射频电源模块可以包括射频电源和移相器(PS)，所述射频电源为所述相位调制模块提供射频信号，所述射频电源经过所述移相器为所述强度调制器提供射频信号，其中，所述移相器可以调节所述射频电源输出的射频信号的相位。
其中，所述射频电源模块分别提供两路射频信号，即输入到所述强度调制器的射频信号和输入至相位调制模块的射频信号，由于输入到所述强度调制器的射频信号经过移相器的调节，使得两路射频信号存在一定的相位差，可以调节移相器使得DPMZM的光开关的开关窗口中心与光信号基底部分的中心对齐，能够有效抑制光信号中的非线性啁啾。
调节移相器和DPMZM可以使经DPMZM的光信号具有理想的线性啁啾。当DPMZM形成高斯型的光开关时，可以使经过DPMZM的光信号具有近高斯型的时域波形；根据时频映射原理，也即当信号加载线性啁啾时，其时域与频域满足傅里叶变化关系。由于光信号具有近高斯型的时域波形，所以其光谱也具有近高斯型包络。
也即此时，经过DPMZM的光信号为近高斯型的光脉冲，在相位调制模块、第一色散介质、强度调制器共同作用下，使得在光脉冲中增加了线性啁啾；
故增加补偿模块，所述补偿模块与所述强度调制器的输出端口连接，用于对所述强度调制器输出的光信号进行线性啁啾补偿，也即消除光脉冲中的线性啁啾。
所述补偿模块可以是第二色散介质，所述第二色散介质与所述第一色散介质具有相反的色散特性，例如所述第二色散介质与所述第一色散介质的色散系数的符号相反，所述第二色散介质与所述第一色散介质的累积色散量的符号相反；也即若所述第一色散介质的色散系数为正时，所述第二色散介质的色散系数为负，若所述第一色散介质的色散系数为负时，所述第二色散介质的色散系数为正。
所述第二色散介质和所述第一色散介质为下列材质中的一种：DCF(DispersionCompensated Fiber，色散补偿光纤)、SMF(Single Mode Fiber，单模光纤)、FBG(FiberBragg Grating，光纤布拉格光栅)。
需要说明的是，第一色散介质的长度需要与所述强度调制器的光开关的开关窗口的宽度相匹配，以使所述强度调制器可以较好的抑制光信号中的非线性啁啾。
相应的，所述第二色散介质的长度是根据所述第二色散介质的色散特性和所述第一色散介质确定的，也即所述第二色散介质的长度需要与所述第二色散介质的色散系数，第一色散介质的长度和色散系数相匹配才能去除由相位调制模块、第一色散介质、强度调制器共同引起的线性啁啾。
如图6所示为本发明实施例的一种产生超短光脉冲的设备的结构示意图，其中包括激光器600，相位调制器601，第一色散介质602，DPMZM603，第二色散介质604，射频电源605以及移相器606；
其中，激光器600，相位调制器601，第一色散介质602，DPMZM603以及第二色散介质604依次连接，
射频电源605为相位调制器601提供射频信号，射频电源605经过移相器606为DPMZM603提供射频信号。
其中，各个器件的型号以及设备参数可以根据实际需要进行选择，下面简单介绍一种具体器件的组合方式：
激光器选择分布反馈(Distributed Feedback)激光器，型号为Agilent81980A，其射出的直流光信号中心波长为1550nm(纳米)、平均功率为8dBm(分贝毫X)；相位调制器的型号为EOSPACE PM-5V4-40，由射频电源的提供的射频信号驱动，其射频信号为频率为25GHz(吉赫兹)正弦射频信号，射频电源的型号为Agilent N5183A。如图7所示，经过相位调制器后具有非线性啁啾的直流光信号的光谱图。
第一色散介质采用累积色散量为-3ps/nm的DCF，所述DCF可以拉伸直流光信号中的正啁啾；DPMZM的型号为FUJITSU FTM7961EX，用于产生光开关，其中，DPMZM的半波电压为6V，MZM1由频率为25GHz、功率为22dBm的正弦射频信号驱动，MZM2不接驱动信号；射频信号经过移相器调节后输入到DPMZM，使DPMZM的开关窗口中心与相位调节器输出的直流光信号的正啁啾区也即光信号的基底部分的中心对准；如图8所示，实线为第一色散介质输出端口的光脉冲的波形，空心线为DPMZM调整的开关窗口。
经DPMZM进行强度调制后，可获得半高全宽为14ps(皮秒)的啁啾光脉冲，其波形和光谱分别如图9和图10所示。
第二色散介质可以选择长度为310m(米)的SMF，对DPMZM输出的光脉冲中的线性啁啾进行补偿。
如图11所示，实线为SMF输出端口的光脉冲的波形；空心线为半高全宽约为1.7ps的高斯函数曲线。
从图11可以看到两种曲线相互拟合，经计算得SMF输出端口的光脉冲的时间带宽积为0.457。因此，该脉冲为近无啁啾的高斯脉冲，其占空比约为4.2％、消光比约为29dB；也即采用上述装置可以产生近无啁啾的高斯型光脉冲。
该光脉冲经过开关键控(OOK)调制及1×8无源光时分复用器复用后，信号眼图如图12所示。复用后的8×25-Gb/s光时分复用(Optical Time Division Multiplexing，OTDM)信号具有较清晰的眼图张开度，并在时域上没有明显的码间串扰。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种超短光脉冲产生设备，其特征在于，该设备包括激光产生模块、相位调制模块、第一色散介质、强度调制器、补偿模块以及射频电源模块；
所述激光产生模块、所述相位调制模块、所述第一色散介质、所述强度调制器以及所述补偿模块依次连接；
所述射频电源模块分别为所述相位调制模块和所述强度调制器提供射频信号；
所述补偿模块，用于对所述强度调制器输出的光信号进行线性啁啾补偿。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述强度调制器包括多个马赫曾德尔调制器MZM。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述强度调制器为双平行马赫曾德尔调制器DPMZM。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述补偿模块为第二色散介质，所述第二色散介质与所述第一色散介质具有相反的色散特性。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光产生模块为激光器，用于产生直流光信号。
6.如权利要求1或5所述的设备，其特征在于，所述相位调制模块包含至少一个相位调制器，所述相位调制器用于对所述激光产生模块的直流光信号进行相位调节。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述射频电源模块包括射频电源和移相器，所述射频电源为所述相位调制模块提供射频信号，所述射频电源经过所述移相器为所述强度调制器提供射频信号，其中，所述移相器可以调节所述射频电源输出的射频信号的相位。
8.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一色散介质为第一光纤布拉格光栅FBG，所述第二色散介质为第二FBG、或者色散补偿光纤DCF；或者，
所述第一色散介质为第二FBG，所述第二色散介质为第一FBG、或者单模光纤SMF；或者，
所述第一色散介质为DCF，所述第二色散介质为SMF、或者第一FBG；或者，
所述第一色散介质为SMF，所述第二色散介质为DCF、或者第二FBG；
其中，所述第一FBG的色散系数为正，所述第二FBG的色散系数为负。
9.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二色散介质的长度是根据所述第二色散介质的色散特性和所述第一色散介质确定的。
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