CN110231058B - 一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法。混沌布里渊动态光栅因具有单光栅、长时间稳定维持、光栅长度可控的特性，确保了基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统能够实现分布式温度和应变的无交叉敏感测量。然而，混沌布里渊动态光栅传感系统存在基底噪声较大的问题，严重影响了系统中的应用。本发明通过光开关调制混沌激光解决了现有的混沌布里渊动态光栅传感系统中基底噪声较大的问题。本系统包括混沌激光源、电光调制器、脉冲发生器、光隔离器、第二光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、第二偏振控制器、保偏光纤、延迟光纤、第二掺铒光纤放大器、单边带调制器、微波源、第三偏振控制器。

Description

一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法
技术领域
本发明应用于光纤传感、全光器件及信号处理领域，具体是一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法，能够通过光开关调制混沌激光实现抑制混沌布里渊动态光栅基底噪声的目的。
背景技术
相比于传统的通过光刻技术周期性调制光纤内部折射率而形成的光纤布拉格光栅，2008年，韩国中央大学的K.Y.Song等人通过向保偏光纤的两端分别注入偏振方向相同、频率差为布里渊频移的两束泵浦光，使其在光纤相遇位置处发生受激布里渊散射，由电致伸缩效应产生的声波场周期性调制光纤折射率形成布里渊动态光栅(Optics Letters，2008，vol.33，no.9，926-928)。因布里渊动态光栅具有全光产生、快速重构、位置可调以及参数灵活可控等优势，近年来已在可变光延迟线，光存储，全光信号处理，分布式光纤传感，全光触发器以及高分辨率光谱仪等领域得到广泛应用。
目前国内外主要是利用时域和相关域技术对布里渊动态光栅的产生及应用进行研究。在时域系统中，通常采用脉冲信号来产生布里渊动态光栅(Optics Letters，2010，vol.35，no.1，52-54)。然而，由于脉宽和高峰值功率的影响，其产生的布里渊动态光栅的长度受限于声子寿命且不能稳定维持，系统结构复杂且研究成本较高。在相关域系统中，采用的连续泵浦光信号具有的周期性会导致多布里渊动态光栅的产生(Optics Letters，2009，vol.34，no.7，1126-1128)。为了解决这些问题，利用混沌激光具有的图钉相关特性在光纤中生成单个的并且可以稳定维持的混沌布里渊动态光栅被提出(Optics Letters，2012，vol.37，no.5，893-895)。最近，混沌布里渊动态光栅的特性也被进一步研究，并且，由于光反馈半导体激光器产生的混沌激光隐含的外腔时延特性导致的虚假布里渊动态光栅，也通过滤波光反馈技术得到了有效抑制，这在很大程度上提高了混沌布里渊动态光栅系统的信噪比(Optics Communications，2017，vol.396，210-215)。基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统，解决了现有基于布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统光栅长度受限于声子寿命、反射强度不稳定、容易产生多光栅的问题(中国发明专利：CN2016110029823)。
然而，由于混沌激光具有的类噪声特性，导致在混沌布里渊动态光栅周围出现由两束混沌泵浦光互相关作用引起的波动旁瓣。混沌布里渊动态光栅周围波动旁瓣产生的根本原因是混沌激光本身具有的强度随时间随机波动的类噪声特性，但该混沌特性无法消除。在抑制外腔时延导致的虚假布里渊动态光栅之后，这些波动旁瓣仍然对混沌布里渊动态光栅系统的信噪比产生了严重的不利影响，限制了混沌布里渊动态光栅传感系统的传感距离，降低了混沌布里渊动态光栅传感系统的空间分辨率。因此，抑制混沌布里渊动态光栅的波动旁瓣对其进一步发展和应用至关重要。
基于此，有必要发明一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法，以解决现有的基于混沌布里渊动态光栅的传感系统存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有的混沌布里渊动态光栅存在的由于混沌激光的类噪声特性导致混沌布里渊动态光栅周围出现波动旁瓣，使混沌布里渊动态光栅传感系统基底噪声较大的问题，提供了一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置，包括混沌激光源、电光调制器、脉冲发生器、光隔离器、第二光纤耦合器、第一掺铒光纤放大器、第二偏振控制器、保偏光纤、延迟光纤、第二掺铒光纤放大器、单边带调制器、微波源、第三偏振控制器。
其中混沌激光源包括分布式反馈半导体激光器、光环行器、第一光纤耦合器、可调光衰减器、第一偏振控制器。
分布式反馈半导体激光器的输出端与光环行器的反射端相连；光环行器的出射端与第一光纤耦合器的入射端相连；第一光纤耦合器的下方出射端利用单模光纤跳线顺次接有可调光衰减器、第一偏振控制器和光环行器的入射端；第一光纤耦合器的上方出射端利用单模光纤跳线顺次接有电光调制器、光隔离器的入射端；光隔离器的出射端与第二光纤耦合器的入射端连接；脉冲发生器的信号输出端与电光调制器的射频信号输入端连接；第二光纤耦合器的上方出射端利用单模光纤跳线顺次接有第一掺铒光纤放大器和第二偏振控制器；第二偏振控制器的出射端与保偏光纤连接；第二光纤耦合器的下方出射端利用单模光纤跳线顺次接有延迟光纤、第二掺铒光纤放大器、单边带调制器和第三偏振控制器；第三偏振控制器的出射端与保偏光纤连接；微波源的信号输出端与单边带调制器的信号输入端连接。
一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生方法，该方法在一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置中实现，该方法具体实现过程如下：
混沌激光源中的分布式反馈半导体激光器输出的激光依次经光环行器、第一光纤耦合器、可调光衰减器、第一偏振控制器、光环行器返回至分布式反馈半导体激光器，由此使得分布式反馈半导体激光器输出混沌泵浦激光。混沌泵浦激光经光环行器和第一光纤耦合器后进入由电光调制器和脉冲发生器组成的光开关。经光开关调制后的混沌泵浦光经光光隔离器进入第二光纤耦合器，并经第二光纤耦合器分为两路：上路混沌泵浦激光经第一掺铒光纤放大器放大后进入第二偏振控制器，调整偏振方向后进入保偏光纤的一个光学主轴。下路混沌泵浦激光经延迟光纤后进入第二掺铒光纤放大器，放大后经微波源和单边带调制器频率调制后与上路混沌泵浦激光相差布里渊频移，调制后的混沌泵浦激光经第三偏振控制器调整偏振方向后进入保偏光纤与上路混沌泵浦激光相同的的光学主轴。两路混沌泵浦激光在保偏光纤的相遇位置处发生受激布里渊散射，同时由于电致伸缩效应产生声波场，该声波场调制保偏光纤的折射率，由此形成混沌布里渊动态光栅。
在保偏光纤中两束混沌泵浦激光相遇位置处，混沌光相关峰内产生了单个并且得以稳定维持的混沌布里渊动态光栅。然而，在其它位置处，由于混沌光本身具有的强度随时间随机起伏变化的类噪声特性，导致两束混沌激光的互相关值会随机波动，在混沌布里渊动态光栅周围会出现波动旁瓣，这些波动旁瓣降低了混沌布里渊动态光栅系统的信噪比。本发明在不影响混沌布里渊动态光栅产生及应用的前提下，创造性地采用了光开关方案调制混沌泵浦激光。在特定的光开关模式下，减短了混沌激光的时序长度，相对减少混沌泵浦激光互相关作用时间来抑制波动旁瓣的产生。通过与未采用光开关调制的原始混沌光产生的混沌布里渊动态光栅对比发现，在特定的光开关模式下，选择合适的光反馈半导体激光器的反馈强度和注入电流，可使其产生的混沌布里渊动态光栅周围的波动旁瓣得到有效抑制。从而，提高了混沌布里渊动态光栅系统的信噪比，有效解决了现有的混沌布里渊动态光栅传感系统中存在的由于混沌激光的类噪声特性导致的基底噪声较大的问题。
本发明的优点及积极效果体现如下：
一、与传统的布里渊动态光栅相比，本发明所述的基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置在保偏光纤中产生了单个的并且能稳定维持的布里渊动态光栅，其光栅长度不受声子寿命限制、反射强度稳定、且不存在产生多光栅的问题，使其在高精度光谱分析，分布式光纤传感领域以及全光信息处理等领域的应用不再受限。
二、现有的基于混沌布里渊动态光栅的分布式光纤传感系统存在基底噪声较大的问题，严重影响了系统中的应用，极大地限制了传感距离和空间分辨率等性能。本发明通过光开关调制混沌激光解决了现有的混沌布里渊动态光栅传感系统中基底噪声较大的问题，提高了系统的信噪比，有助于进一步提高系统的空间分辨率和传感距离。
三、本发明所提供的一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置及方法，能够用于在分布式光纤传感领域实现温度和应变的无交叉敏感测量，并兼顾传感距离长和空间分辨率高的技术优势。
附图说明
图1是本发明所述一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置的结构示意图。图中：1-分布式反馈半导体激光器，2-光环行器，3-第一光纤耦合器，4-可调光衰减器，5-第一偏振控制器，6-电光调制器，7-脉冲发生器，8-光隔离器，9-第二光纤耦合器，10-第一掺铒光纤放大器，11-第二偏振控制器，12-保偏光纤，13-延迟光纤，14-第二掺铒光纤放大器，15-单边带调制器，16-微波源，17-第三偏振控制器，18-混沌激光源。
图2是本发明所述一种光开关调制混沌激光的示意图。图2(a)是以幅值0和1的方波序列来进行数值模拟光开光，其中0代表光开关断开状态，持续时间为3ns，1代表闭合状态，持续时间为5ns；图2(b)为数值模拟外腔光反馈半导体激光器输出混沌激光的时序图，其中采用的反馈强度为13.76％和注入电流为44mA；图2(c)为经光开关调制后的混沌光信号。
图3是本发明所述经光开关调制前后混沌布里渊动态光栅三维投影对比图。图3(a)为未经光开关调制形成的混沌布里渊动态光栅声波场时空分布三维投影图；图3(b)为经过光开关调制形成的混沌布里渊动态光栅声波场时空分布三维投影图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1所示，一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置，包括混沌激光源18、电光调制器6、脉冲发生器7、光隔离器8、第二光纤耦合器9、第一掺铒光纤放大器10、第二偏振控制器11、保偏光纤12、延迟光纤13、第二掺铒光纤放大器14、单边带调制器15、微波源16、第三偏振控制器17。
其中混沌激光源18包括分布式反馈半导体激光器1、光环行器2、第一光纤耦合器3、可调光衰减器4、第一偏振控制器5。
分布式反馈半导体激光器1的输出端与光环行器2的反射端相连；光环行器2的出射端与第一光纤耦合器3的入射端相连；第一光纤耦合器3的下方出射端利用单模光纤跳线顺次接有可调光衰减器4、第一偏振控制器5和光环行器2的入射端；第一光纤耦合器3的上方出射端利用单模光纤跳线顺次接有电光调制器6、光隔离器8的入射端；光隔离器8的出射端与第二光纤耦合器9的入射端连接；脉冲发生器7的信号输出端与电光调制器6的信号输入端连接；第二光纤耦合器9的上方出射端利用单模光纤跳线顺次接有第一掺铒光纤放大器10和第二偏振控制器11；第二偏振控制器11的出射端与保偏光纤12连接；第二光纤耦合器9的下方出射端利用单模光纤跳线顺次接有延迟光纤13、第二掺铒光纤放大器14、单边带调制器15和第三偏振控制器17；第三偏振控制器17的出射端与保偏光纤12连接；微波源16的信号输出端与单边带调制器15的射频信号输入端连接。
一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生方法，该方法在一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置中实现，该方法具体实现过程如下：
混沌激光源18中的分布式反馈半导体激光器1输出的激光依次经光环行器2、第一光纤耦合器3、可调光衰减器4、第一偏振控制器5、光环行器2返回至分布式反馈半导体激光器1，由此使得分布式反馈半导体激光器1输出混沌泵浦激光。混沌泵浦激光经光环行器2和第一光纤耦合器3后进入由电光调制器6和脉冲发生器7组成的光开关。光开关如图2(a)所示，通过以幅值0和1的方波序列来进行数值模拟，其中0代表光开关断开状态，持续时间为3ns，1代表闭合状态，考虑到声子寿命为5ns，光开关的闭合持续时间为5ns(光开关的持续时间是结合声子寿命的衰减趋势综合考虑光栅的稳定维持和对基底噪声的抑制效果而选取。光开关的闭合与断开时间并不局限于此参数，这里仅是对本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制)；图2(b)为数值模拟光反馈半导体激光器产生的未经光开关调制的原始混沌光，其中采用的反馈强度为13.76％和注入电流为44mA；图2(c)为经光开关调制后的混沌光信号。经光开关调制后的混沌泵浦光经光隔离器8进入第二光纤耦合器9，并经第二光纤耦合器9分为两路：上路混沌泵浦激光经第一掺铒光纤放大器10放大后进入第二偏振控制器11，调整偏振方向后进入保偏光纤12的一个光学主轴。下路混沌泵浦激光经延迟光纤13后进入第二掺铒光纤放大器14，放大后经微波源16和单边带调制器15频率调制后与上路混沌泵浦激光相差布里渊频移，调制后的混沌泵浦激光经第三偏振控制器17调整偏振方向后进入保偏光纤12与上路混沌泵浦激光相同的的光学主轴。两路混沌泵浦激光在保偏光纤的相遇位置处发生受激布里渊散射，同时有于电致伸缩效应产生声波场，该声波场调制保偏光纤的折射率，由此形成混沌布里渊动态光栅，如图3所示。
上述混沌激光产生声波场的物理过程可通过具体算法进行数值仿真，其实现步骤如下：
1)所述产生混沌激光的外腔反馈半导体激光器可用Lang-Kobayashi单模速率方程来实现，
Figure BDA0002075685260000091
Figure BDA0002075685260000092
Figure BDA0002075685260000093
其中：E(t)和N(t)分别是半导体激光器腔内慢变复电场振幅和载流子密度，α为线宽增强因子，τp和τn分别是光子寿命和载流子寿命，ω是半导体激光器的输出角频率，q为电荷电量，V为激光腔有源区体积，I是半导体激光器的泵浦电流，G(t)为微分增益系数，N0为透明载流子密度，ε为增益饱和系数，光反馈半导体激光器的反馈率k定义如下：
Figure BDA0002075685260000094
其中r0和r分别代表激光器出射端面和外部反射镜面的反射率，τin是激光腔中光的往返时间，涉及到的激光参数以及我们在数值模型中使用的参数取值见表1。当上述外腔反馈半导体激光器的参数取值如表1所示，可产生幅值随时间变化的混沌激光序列，如图2(b)所示。
表1公式(1)～(4)各参数的物理意义及取值
Figure BDA0002075685260000101
2)所述光开关调制混沌激光过程可用如下数学表达式进行仿真：
Figure BDA0002075685260000102
其中，Ap1(t)和Ap2(t)分别表示混沌激光源产生的原始混沌激光，τ为调制方波的持续时间，rect(t/τ)的取值为0和1。产生的光开关调制信号如图2(a)所示，其中0代表光开关断开状态，持续时间为3ns，1代表闭合状态，考虑到声子寿命为5ns，光开关的闭合持续时间为5ns。图2(c)为经光开关调制后的混沌光信号。
3)所述向光纤两端分别注入偏振方向相同、频差为布里渊频移的两束相同的混沌光信号，在保偏光纤中相遇，产生声波场的过程可用如下三波耦合方程来实现，
Figure BDA0002075685260000103
Figure BDA0002075685260000104
Figure BDA0002075685260000105
其中，Ap1和Ap2分别表示经光开关调制后注入光纤两端的偏振方向相同、频差为光纤布里渊频移的两束相同的混沌光信号的复电场，Q为两束相同的混沌光信号在相遇位置处发生干涉，并引起电致伸缩作用而产生的声波场复振幅，β为光纤单位长度的群延时，η为振幅归一化因子，gB为受激布里渊散射增益系数，τB为声子寿命。
当上述保偏光纤的参数取值如表2所示，两束偏振方向相同、频差为布里渊频移的混沌光信号在保偏光纤中的相遇位置处可产生声波场信号。
表2公式(6)～(8)各参数的物理意义及取值
Figure BDA0002075685260000111
图3(a)为未经光开关调制形成的混沌布里渊动态光栅声波场时空分布三维投影图，图3(b)为经过光开关调制形成的混沌布里渊动态光栅声波场时空分布三维投影图。对于图3(a)，可以看出在保偏光纤的中间位置处产生了单个的并且稳定维持的混沌布里渊动态光栅，但在混沌布里渊动态光栅的两侧对称分布着较为明显的由两束未经光开关调制的混沌泵浦光相互作用产生的幅值相对较大的波动旁瓣。而图3(b)，经光开关调制的后的混沌泵浦光产生的混沌布里渊动态光栅两侧的波动旁瓣颜色较为暗淡，说明其幅值相对较小，意味着波动旁瓣得到了抑制。由此说明采用光开关技术方案调制混沌光既可以产生单个的可以稳定维持的混沌布里渊动态光栅，也可以有效抑制因混沌信号类噪声特性导致的混沌布里渊动态光栅周围出现的波动旁瓣。
具体实施时：分布式反馈半导体激光器1的中心波长为1550nm，第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器9的耦合比均为50:50，传感光纤12采用熊猫型保偏光纤。
以上所述仅是对本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施实例所做的任何简单修改、等同变化，均属本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置，其特征在于：包括混沌激光源（18）、电光调制器（6）、脉冲发生器（7）、光隔离器（8）、第二光纤耦合器（9）、第一掺铒光纤放大器（10）、第二偏振控制器（11）、保偏光纤（12）、延迟光纤（13）、第二掺铒光纤放大器（14）、单边带调制器（15）、微波源（16）、第三偏振控制器（17）；
其中，所述混沌激光源（18）包括分布式反馈半导体激光器（1）、光环行器（2）、第一光纤耦合器（3）、可调光衰减器（4）、第一偏振控制器（5）；
所述分布式反馈半导体激光器（1）的输出端与光环行器（2）的反射端相连；所述光环行器（2）的出射端与第一光纤耦合器（3）的入射端相连；所述第一光纤耦合器（3）的下方出射端利用单模光纤跳线顺次接有可调光衰减器（4）、第一偏振控制器（5）和光环行器（2）的入射端；所述第一光纤耦合器（3）的上方出射端利用单模光纤跳线顺次接有电光调制器（6）、光隔离器（8）的入射端；光隔离器（8）的出射端与第二光纤耦合器（9）的入射端连接；所述脉冲发生器（7）的信号输出端与电光调制器（6）的射频信号输入端连接；所述第二光纤耦合器（9）的上方出射端利用单模光纤跳线顺次接有第一掺铒光纤放大器（10）和第二偏振控制器（11）；所述第二偏振控制器（11）的出射端与保偏光纤（12）连接；所述第二光纤耦合器（9）的下方出射端利用单模光纤跳线顺次接有延迟光纤（13）、第二掺铒光纤放大器（14）、单边带调制器（15）和第三偏振控制器（17）；第三偏振控制器（17）的出射端与保偏光纤（12）连接；所述微波源（16）的信号输出端与单边带调制器（15）的射频信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生装置，其特征在于：所述分布式反馈半导体激光器（1）的中心波长为1550nm；所述第一光纤耦合器（3）的耦合比、第二光纤耦合器（9）的耦合比均为50:50；所述保偏光纤（12）为熊猫型保偏光纤。
3.一种基底噪声抑制的混沌布里渊动态光栅产生方法，其特征在于：采用如权利要求1或2所述装置实现，该方法是采用如下步骤实现的：
混沌激光源（18）中的分布式反馈半导体激光器（1）输出的激光依次经光环行器（2）、第一光纤耦合器（3）、可调光衰减器（4）、第一偏振控制器（5）、光环行器（2）返回至分布式反馈半导体激光器（1），由此使得分布式反馈半导体激光器（1）输出混沌泵浦激光；混沌泵浦激光经光环行器（2）和第一光纤耦合器（3）后进入由电光调制器（6）和脉冲发生器（7）组成的光开关；经光开关调制后的混沌泵浦光经光隔离器（8）进入第二光纤耦合器（9），并经第二光纤耦合器（9）分为两路：上路混沌泵浦激光经第一掺铒光纤放大器（10）放大后进入第二偏振控制器（11），调整偏振方向后进入保偏光纤（12）的一个光学主轴；下路混沌泵浦激光经延迟光纤（13）后进入第二掺铒光纤放大器（14），放大后经微波源（16）和单边带调制器（15）频率调制后与上路混沌泵浦激光相差布里渊频移，调制后的混沌泵浦激光经第三偏振控制器（17）调整偏振方向后进入保偏光纤（12）与上路混沌泵浦激光相同的光学主轴；两路混沌泵浦激光在保偏光纤（12）的相遇位置处发生受激布里渊散射，同时由于电致伸缩效应产生声波场，该声波场调制保偏光纤（12）的折射率，由此形成混沌布里渊动态光栅。
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