CN108957904A - 一种产生可传输高功率脉冲串的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信中的非线性光学研究领域，具体为一种产生可传输高功率脉冲串的方法。提供一种简单的无连续背景的可传输高功率脉冲串的产生方法。其步骤包括：产生指定的弱周期调制的连续波作为初始激发信号；将所述初始激发信号输入至色散渐减光纤中，通过调节色散渐减光纤的参数，使之生成可传输的高功率、高重复率脉冲串。本发明可以简捷、高效的获得光纤通信中所需的可传输高功率、高重复率脉冲串，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光通信的非线性光学研究领域，具体是一种产生可传输高功率脉冲串的方法。
背景技术
随着光纤通信的普及和应用，进一步增大通信容量和延长传输距离是光纤通信的重要研究目标。为了增大通信容量，目前广泛采用波分复用技术。而单信道中产生并传输高功率的超短脉冲对于提高信道的容量也至关重要；由于光通信链路中损耗的存在，平均功率较低的脉冲难以远距离的传输。因此产生可传输的高功率和高功率的脉冲串成为光通信的重要的研究方向之一。
通常情况下，通过主动或被动锁模激光器可以产生超短波脉冲串，但受到腔长的制约，其重复频率一般仅在几十兆赫兹至几百兆赫兹，而且激光器的锁模状态容易受环境的制约，影响激光器输出脉冲串的质量。与之相比，利用色散和非线性光纤中的调制不稳定性产生高功率的超短脉冲串不失为一种简单实用的有效方法。
在非线性光纤系统中，受到扰动的连续波在色散和非线性作用下，会出现调制不稳定性而逐渐形成具有连续波背景的超短脉冲串。初始的连续波扰动可以通过相位或强度调制来产生，也可以将两个连续波激光进行双频拍频耦合产生。基于连续波的调制不稳定性，Mamyshev等人利用调制不稳定性和受激拉曼散射效应产生了高功率的孤子脉冲串[Opt.Lett.15,1362,(1990)]，Agrawal利用掺饵光纤放大器中的调制不稳定性产生了超短脉冲串[IEEE Photon.Technol.Lett.4,562(1992)]。2007年，Solli等人利用实时监测技术在一段微结构光纤中观察到了高功率的光学怪波[Nature 450,1054(2007)]。2010年，Kibler等人将两个外腔激光器耦合到相位调制器，在高非线性光纤中观察到具有背景的高功率脉冲[Nat.Phys.,6,790(2010)]；各种去除背景波得到零背景的脉冲串的方法如偏振技术、延迟线干涉仪、频域滤波等相继被提出[Opt.Lett.7.512(1982),Sci.Rep.2,463(2012)，CN201420415160.8]。这些技术中，有的不能完全消除背景，有的需要由较多的仪器构成的复杂实验装置来实现。因此需要一种简单、便捷和有效的消除背景而获取高功率脉冲串的方法。
发明内容
本发明提出一种一种产生可传输高功率脉冲串的方法，其结构简单，易于实现，所用设备较少，降低了成本。
本发明是采用以下技术实现的：一种产生可传输高功率脉冲串的方法，包括以下步骤：产生弱周期调制的连续波作为初始激发信号；将所述初始激发信号输入至色散渐减光纤中，通过调节色散渐减光纤的参数，使之生成高功率脉冲串。
其中，通过如公式(1)所示的变系数非线性薛定谔方程描述初始激发信号在色散渐减光纤中的传输过程，
其中，u(z,t)是光脉冲的慢变包络，t是参考系中的时间量度，t和z是参考系中的时间和归一化距离，d(z)＝|β2(z)/β2(0)|＝exp(-γz)是归一化的渐减群速度色散，r(z)＝r0exp(-γz)是随传输距离由于损耗而渐减的非线性参数，γ为渐减参数，r0为初始非线性参数；
求解公式(1)，得到解如公式(2)所示：
其中与调制频率相关，δ＝kη与调制不稳定性的增长率相关，参数η的范围是0＜η＜1，z0为任意实数，给定指定的参数η，从而使弱周期调制的连续波通过色散渐减光纤产生高功率脉冲串。
其中，在公式(2)中，令参数得到公式(3)如下，
在z＝0处对其进行线性化处理可以得到初始激发条件如公式(4)：
其中kr0的取值表示初始周期调制的调制频率，决定了产生的高功率脉冲串的重复周期，kr0越小，产生的高功率脉冲串的功率越高。
其中，初始激发信号通过一种初始激发信号产生装置生成，所述初始激发信号产生装置包括顺次连接的连续波激光器、相位调制器、强度调制器以及光纤放大器。
其中，公式(3)中，当z→∞时，式(3)表示为
随着传输距离的增加，初始的弱周期调制信号在色散渐减光纤传输时，被压缩成一个连续波背景基座的高功率脉冲串，参数γ越小，初始弱周期调制信号越快被压缩为高功率脉冲串。
其中，高功率脉冲串背景基座的强度为：
ub＝|1-2η| (6)
当η＝0.5时，高功率脉冲串基座强度为零，在色散渐减光纤中可以产生背景为零的高功率脉冲串。
其中，色散渐减光纤的初始色散参数为-21.4ps2/m，色散参数的指数变化系数为-0.4/m，初始非线性参数为1.2W-1·km-1,非线性参数的指数变化系数为-0.4/km，长度为640m。
其中，单模光纤的参数为色散参数为-0.39ps2/m，非线性参数为0.02W-1·km-1,长度为1.5公里。
其中，还包括对高功率脉冲串进行实时监测的步骤：
将色散渐减光纤输出的高功率脉冲串分两束，一束输入光学采样示波器观察所获取的高功率脉冲串，另一束输入单模光纤进行传输；
单模光纤的输出端引出一束光，输入光学采样示波器，对高功率脉冲串的传输进行实时监测。
区别于现有技术，本发明的产生可传输高功率脉冲串的方法的步骤包括产生指定的连续波作为初始激发信号；将所述初始激发信号输入至色散渐减光纤中，通过调节色散渐减光纤的参数，使之生成高功率脉冲串。通过选取色散渐减光纤的参数，将指定的连续波输入该色散渐减光纤，即可产生高功率脉冲串；通过本发明产生的高功率脉冲串是无背景的，无需进行背景滤除，就可以生成背景消除的高功率脉冲串；本发明简化了高功率脉冲串产生的步骤，降低了系统的成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中产生高功率脉冲串的整体设备的结构示意图。
图3是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中产生的弱周期调制的连续波的波形示意图。
图4是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中η＝0.5时产生的高功率脉冲串的强度的示意图。
图5是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中η＝0.5时色散渐减光纤中产生高功率脉冲串的演化过程的示意图。
图6是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中η＝0.5时色散渐减光纤中产生高功率脉冲串的演化过程等高图的示意图。
图7是图4中所产生的零背景高功率脉冲串在单模光纤中稳定传输过程的等高图的示意图。
图8是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中η＝0.4时产生的高功率脉冲串的强度的示意图。
图9是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法中η＝0.59时产生的高功率脉冲串的强度的示意图。
图10是图8中所产生的脉冲串在单模光纤中稳定传输过程的等高图的示意图。
图11是图9中所产生的脉冲串在单模光纤中稳定传输过程的等高图的示意图。
1-初始激发信号产生装置，2-第一分束器，3-光学采样示波器，4-色散渐减光纤，5-第二分束器，6-单模光纤，7-第三分束器
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1是本发明提供的一种产生可传输高功率脉冲串的方法的流程示意图。本发明方法产生可传输高功率脉冲串时，需要使用的装置的结构示意图如图2所示。图2的装置包括初始激发信号产生装置1，第一分束器2，光学采样示波器3，色散渐减光纤4，第二分束器5，单模光纤6和第三分束器7。初始激发信号产生装置1产生初始激光信号，经过第一分束器2分为两部分，一部分发送到色散渐减光纤4，另一部分发送到光学采样示波器3进行观察；发送到色散渐减光纤4的初始激光信号经色散渐减光纤4作用产生高功率脉冲串，输出后经第二分束器5作用，一部分输入到单模光纤6，另一部分传输到光学采样示波器3进行观察；单模光纤6的输出经第三分束器作用，将一部分传输到光学采样示波器3，验证单模光纤6输出的高功率脉冲串是否能稳定传输。
该方法包括以下步骤：产生弱周期调制的连续波作为初始激发信号；将所述初始激发信号输入至色散渐减光纤4中，通过调节色散渐减光纤4的参数，使之生成高功率脉冲串。弱周期调制的连续波的波形如图3所示。
其中，通过如公式(1)所示的变系数非线性薛定谔方程描述初始激发信号在色散渐减光纤中的传输过程，
其中，u(z,t)是光脉冲的慢变包络，t是参考系中的时间量度，t和z是参考系中的时间和归一化距离，d(z)＝|β2(z)/β2(0)|＝exp(-γz)是归一化的渐减群速度色散，r(z)＝r0exp(-γz)是随传输距离由于损耗而渐减的非线性参数，γ为渐减参数，r0为初始非线性参数；
求解公式(1)的方程，得到解为公式(2)：
其中与调制频率相关，δ＝kη与调制不稳定性的增长率相关，参数η的范围是0＜η＜1，z0为任意实数，给定指定的参数η，从而使弱周期调制的连续波通过色散渐减光纤4产生高功率脉冲串。
其中，在公式(2)中，令参数得到公式(3)如下，
在z＝0处对其进行线性化处理可以得到初始激发条件如公式(4)：
kr0的取值表示初始周期调制的调制频率，决定了产生的高功率脉冲串的重复周期，kr0越小，产生的高功率脉冲串的功率越高。
其中，初始激发信号通过一种初始激发信号产生装置1生成，初始激发信号产生装置1包括顺次连接的连续波激光器、相位调制器、强度调制器以及光纤放大器。
其中，公式(3)中，当z→∞时，式(3)表示为
随着传输距离的增加，初始的弱周期调制信号在色散渐减光纤4传输时，被压缩成一个连续波背景基座的高功率脉冲串，参数γ越小，初始弱周期调制信号越快被压缩为高功率脉冲串。
其中，高功率脉冲串背景基座的强度为：
ub＝|1-2η| (6)
当η＝0.5时，高功率脉冲串基座强度为零，在色散渐减光纤中可以产生背景为零的高功率脉冲串。
其中，色散渐减光纤4的初始色散参数为-21.4ps2/m，色散参数的指数变化系数为-0.4/m，初始非线性参数为1.2W-1·km-1,非线性参数的指数变化系数为-0.4/km，长度为640m。
其中，单模光纤6的参数为色散参数为-0.39ps2/m，非线性参数为0.02W-1·km-1,长度为1.5公里。
其中，还包括对高功率脉冲串进行实时监测的步骤：
将色散渐减光纤4输出的高功率脉冲串分两束，一束输入光学采样示波器3观察所获取的高功率脉冲串，另一束输入单模光纤6进行传输；
单模光纤6的输出端引出一束光，输入光学采样示波器3，对高功率脉冲串的传输进行实时监测。
本发明利用连续波激光器通过相位调制器和强度调制器产生弱周期调制的连续波作为初始激发信号，利用光纤放大器放大后，输入到色散渐减光纤4中，产生高功率脉冲串，该高功率脉冲串可在单模光纤6中稳定传输。
经本法产生的高功率脉冲串基座强度为零，如图4所示，初始的弱周期调制信号演化为零背景的高功率脉冲串，这就意味着选择合适的参数在色散渐减光纤中可以产生背景为零的高功率脉冲串。图5给出了通过色散渐减光纤产生零背景高功率脉冲串的演化过程，图6是演化过程的等高图。这样得到的零背景的高功率脉冲串可以在色散参数和非线性参数分别等于色散渐减光纤出射端出的色散参数和非线性参数的单模光纤中稳定传输，图7是零背景高功率脉冲串在单模光纤中稳定传输过程的等高图。
当η略小于0.5时，所产生的高功率脉冲串的强度如图8所示。当η略大于0.5时，所产生的高功率脉冲串的强度如图9。图8和图9所示高功率脉冲串虽然具有微弱的背景，但仍能在较长的单模光纤中稳定传输，如图10和图11所示。
区别于现有技术，本发明的产生可传输高功率脉冲串的方法的步骤包括产生指定的连续波作为初始激发信号；将所述初始激发信号输入至色散渐减光纤中，通过调节色散渐减光纤的参数，使之生成高功率脉冲串。通过选取色散渐减光纤的参数，将指定的弱周期调制的的连续波输入该色散渐减光纤，即可产生高功率脉冲串；通过本发明产生的高功率脉冲串是无背景的，无需进行背景滤除，就可以生成背景消除的高功率脉冲串；本发明简化了高功率脉冲串产生的步骤，降低了系统的成本。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，包括以下步骤：
产生弱周期调制的连续波作为初始激发信号；
将所述初始激发信号输入至色散渐减光纤中，通过调节色散渐减光纤的参数，使之生成高功率脉冲串。
2.如权利要求1所述的产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，通过如公式(1)所示的变系数非线性薛定谔方程描述初始激发信号在色散渐减光纤中的传输过程，
其中，u(z,t)是光脉冲的慢变包络，t和z是参考系中的时间和归一化距离，d(z)＝|β2(z)/β2(0)|＝exp(-γz)是归一化的渐减群速度色散，r(z)＝r0exp(-γz)是随传输距离由于损耗而渐减的非线性参数，γ为渐减参数，r0为初始非线性参数；
求解公式(1)，得到解如公式(2)所示：
其中与调制频率相关，δ＝kη与调制不稳定性的增长率相关，参数η的范围是0＜η＜1，z0为任意实数，给定指定的参数η，从而使弱周期调制的连续波通过色散渐减光纤产生高功率脉冲串。
3.如权利要求2所述的产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，在公式(2)中，令参数得到公式(3)如下，
在z＝0处对其进行线性化处理可以得到初始激发条件如公式(4)：
其中kr0的取值表示初始周期调制的调制频率，决定了产生的高功率脉冲串的重复周期，kr0越小，产生的高功率脉冲串的功率越高。
4.如权利要求1所述的产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，所述初始激发信号通过一种初始激发信号产生装置生成，所述初始激发信号产生装置包括顺次连接的连续波激光器、相位调制器、强度调制器以及光纤放大器。
5.如权利要求3所述的一种产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，公式(3)中，当z→∞时，式(3)表示为
随着传输距离的增加，初始的弱周期调制信号在色散渐减光纤传输时，被压缩成一个连续波背景基座的高功率脉冲串，参数γ越小，初始弱周期调制信号越快被压缩为高功率脉冲串。
6.如权利要求5所述的产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，高功率脉冲串背景基座的强度为：
ub＝|1-2η| (6)
当η＝0.5时，高功率脉冲串基座强度为零，在色散渐减光纤中可以产生背景为零的高功率脉冲串。
7.如权利要求1所述的产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，所述色散渐减光纤的初始色散参数为-21.4ps2/m，色散参数的指数变化系数为-0.4/m，初始非线性参数为1.2W-1·km-1,非线性参数的指数变化系数为-0.4/km，长度为640m。
8.如权利要求1所述的产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，所述单模光纤的参数为色散参数为-0.39ps2/m，非线性参数为0.02W-1·km-1,长度为1.5公里。
9.如权利要求1所述的一种产生可传输高功率脉冲串的方法，其特征在于，还包括对高功率脉冲串进行实时监测的步骤：
将色散渐减光纤输出的高功率脉冲串分两束，一束输入光学采样示波器观察所获取的高功率脉冲串，另一束输入单模光纤进行传输；
单模光纤的输出端引出一束光，输入光学采样示波器，对高功率脉冲串的传输进行实时监测。
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