CN110994349B - 基于高阶Akhmediev呼吸子提取高质量脉冲串的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高阶Akhmediev呼吸子提取高质量脉冲串的装置和方法，包括：直接强度调制的1550nm激光二极管，相位调制器(PM)，强度调制器，一段具有反常色散的单模光纤(SMF)，一段正常色散的掺铒光纤(EDF)，光学斩波器。本发明的有益效果是：(1)Akhmediev呼吸子在光纤中产生的脉冲质量较高，可以消除背景波对脉冲的影响。(2)在光纤中传输稳定且传输距离比原有结果长。(3)实验装置结构较为简单，可以节约实验成本。

Description

基于高阶Akhmediev呼吸子提取高质量脉冲串的装置和方法
技术领域
本发明涉及光孤子领域，尤其涉及的是一种基于高阶Akhmediev呼吸子在光纤激光器中提取高质量脉冲串的装置和方法。
背景技术
这里所要研究的Akhmediev呼吸子理论是由N.Akhmediev和他的同事在20世纪80年代中期发展起来的，他们用一种有见地的分析方法构造了描述光纤传播的非线性薛定谔方程新解。它具有横向周期性以及在传播方向上表现出单个的生长-返回的周期，也就是著名的FPU(Fermi–Pasta–Ulam)复发的一种表现。Akhmediev呼吸子即使在非理想初始条件下也能被激发，这一认识使得可以在光纤系统实验中观测到Akhmediev呼吸子的渐近极限：Peregrine和Kuznetsov–Ma孤子，这些孤子已经被提出作为流体动力学怪波(RougueWaves)的原型。众所周知，当色散或非线性变化时，Akhmediev呼吸子的动态特性会受到强烈影响。当两个一阶Akhmediev呼吸子叠加碰撞时还可以形成更大的极值波，这就是高阶的Akhmediev呼吸子。叠加后的二阶Akhmediev呼吸子会产生高振幅脉冲，它可以被用来产生高强度的脉冲序列，这个脉冲序列具有空间局域性和时域周期性，通过研究其产生的高强度脉冲序列，使光孤子的传输效率提高，可以将得出的理论结果运用到实际应用中，使实际的光孤子传输的脉冲质量更高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种基于高阶Akhmediev呼吸子在光纤中提取高质量脉冲串，解决了平面背景波对高阶Akhmediev呼吸子波形的影响，使得高阶Akhmediev呼吸子可以产生较高质量的脉冲，同时使之可以在光纤中稳定且长距离传输。
本发明采用如下技术方案：
一种基于高阶Akhmediev呼吸子提取高质量脉冲串的装置，包括：直接强度调制的1550nm激光二极管，相位调制器(PM)，强度调制器，一段具有反常色散的单模光纤(SMF)，一段正常色散的掺铒光纤(EDF)，光学斩波器；两个强度调制器分别连接两个不同频率时钟信号，其中直接强度调制的1550nm激光二极管连接相位调制器(PM)，经相位调制器(PM)后分别连接到两个强度调制器(IM)，两个强度调制器连接到耦合器，经过耦合器将两个不同频率的信号耦合到掺铒光纤，掺铒光纤放大以后在单模光纤中进行传输，然后连接光学斩波器对脉冲进行处理，最后通过光学采样示波器和光谱分析仪输出结果。
所述的装置，光学采样示波器和光谱分析仪分别为具有亚皮秒分辨率的超快速光学采样示波器(OSO)和具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱分析仪(OSA)
所述的装置，单模光纤的群色散为β2＝-22ps2/km，掺铒光纤的群速度色散为βE＝16ps2/km。
所述的装置，单模光纤的非线性系数为γ＝3W-1km-1，掺铒光纤的非线性系数为γE＝3W-1km-1。
所述的装置，两个不同频率时钟信号分别为16GHz的电子时钟和24GHz的电子时钟。
根据任一所述装置提取高质量脉冲串的方法，直接强度调制的1550nm激光二极管发射连续波被相位调制器进行相位调制，以避免布里渊反向散射；然后分别通过16GHz和24GHz RF打击驱动的强度调制器(IM)对CW信号进行正弦调制后输入耦合器耦合；通过耦合器耦合以后，得到高阶Akhmediev呼吸子；通过掺铒光纤将耦合后的高阶Akhmediev呼吸子连续波的平均功率放大到1.1W，然后在单模光纤(SMF)中进行传输，在传输到2.25km以后连接光学斩波器；将光学斩波器的频率设置为10KHz，利用光学斩波器的叶片遮挡平面背景波，高阶Akhmediev呼吸子的脉冲从光学斩波器的叶片间隙中通过。
所述的方法，使用具有皮秒分辨率的超快速光学采样示波器和具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱仪来表征光波轮廓。
本发明的有益效果是：(1)Akhmediev呼吸子在光纤中产生的脉冲质量较高，可以消除背景波对脉冲的影响。(2)在光纤中传输稳定且传输距离比原有结果长。(3)实验装置结构较为简单，可以节约实验成本。
附图说明
图1是本发明所采用的实验装置的结构示意图。
图2是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子在单模光纤中传输的激发位置的结果图。
图3是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子的输出波形图。
图4是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子在最高峰值处的平面图。
图5是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波后输出的平面图。
图6是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波后输出的立体图。
图7是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波后在光纤中的传输结果图。
图8是本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波后在光纤中传输距离和峰值强度的关系图。
图中，CW:连续波，PM:相位调制器，IM：强度调制器，OC：耦合器，EDFA:掺铒光纤放大器，SMF：单模光纤，OSA：光谱分析仪，OSO：光学采样示波器。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明提取高质量脉冲的方法是利用光学斩波的方法。通过光学斩波对脉冲进行处理以后，提取出高质量脉冲串并且使之在光纤中稳定的传输。
参考图1，基于高阶Akhmediev呼吸子提取高质量脉冲串的装置，包括：直接强度调制的1550nm激光二极管1，相位调制器(PM)2，两个加不同频率时钟信号的强度调制器3，一段具有反常色散的单模光纤(SMF)4，一段正常色散的掺铒光纤(EDF)5，具有亚皮秒分辨率的超快速光学采样示波器(OSO)6，具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱分析仪(OSA)7，光学斩波器8，16GHz的电子时钟9，24GHz的电子时钟10。其中直接强度调制的1550nm激光二极管1连接相位调制器(PM)2，经相位调制器(PM)2后连接强度调制器(IM)3，经过耦合器将两个不同频率的信号耦合到掺铒光纤5，掺铒光纤5放大以后在单模光纤4中进行传输，然后连接光学斩波器8对脉冲进行处理，最后通过光学采样示波器6和光谱分析仪7输出结果。
其中单模光纤4的群色散为β2＝-22ps2/km，掺铒光纤5的群速度色散为βE＝16ps2/km；单模光纤4的非线性系数为γ＝3W-1km-1，掺铒光纤5的非线性系数为γE＝3W-1km-1。通过利用光学斩波器对脉冲进行处理以后，提取出高质量脉冲串并且使之可以在光纤中稳定的传输。
直接强度调制的1550nm激光二极管1发射连续波(即CW信号)被相位调制器2进行相位调制，以避免布里渊反向散射。然后分别通过16GHz和24GHz RF打击驱动的强度调制器(IM)3对CW信号进行正弦调制后输入耦合器耦合。通过耦合器耦合以后，得到高阶Akhmediev呼吸子。通过掺铒光纤5将耦合后的高阶Akhmediev呼吸子连续波的平均功率放大到1.1W，然后在单模光纤(SMF)4中进行传输，在传输到2.25km以后连接光学斩波器8。将光学斩波器的频率设置为10KHz，利用光学斩波器的叶片遮挡平面背景波，高阶Akhmediev呼吸子的脉冲从光学斩波器的叶片间隙中通过。提取出高质量脉冲串并且使之可以在光纤中稳定的传输。
参考图2，为本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子在单模光纤中传输的激发位置的结果图，可以看到高阶Akhmediev呼吸子在传输距离为8.9的位置处进行激发，通过归一化处理，得到实验中高阶Akhmediev呼吸子在单模光纤中的激发位置在2.25km处。
参考图3，为本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子的输出波形图。可以看到在产生脉冲串的同时会有平面背景波的产生。
参考图4，为本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子在最高峰值处的平面图，可以看出在其两边伴随着平面背景波。
参考图5，为本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波处理后输出的平面图。可以看到，平面背景波消失，且得到的脉冲串质量比较高。
参考图6，为本发明所采用的高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波后在光纤中的传播立体图。可以看出其在光纤中传播稳定，且传输距离长。
本发明装置的理论原理如下：
高阶Akhmediev呼吸子作为研究对象，通过一阶解的非线性叠加获得的二阶解取决于每个Akhmediev呼吸子参数a的控制(0＜a1,2＜0.5)。高阶Akhmediev呼吸精确解的形式如下所示：
Figure BDA0002318955270000051
式中所包含的参数s1，r1，s2，r2，s12以及r12都是参数Z，T，a1和a2的函数，其表达式如下：
Figure BDA0002318955270000052
Figure BDA0002318955270000053
Figure BDA0002318955270000054
Figure BDA0002318955270000055
Figure BDA0002318955270000056
Figure BDA0002318955270000057
其中
Figure BDA0002318955270000058
这里所提及的碰撞只是针对于两个不同的一阶Akhmediev呼吸子的叠加，为了得到Akhmediev呼吸子叠加后产生碰撞的现象，令a1＝0.1，a2＝0.4，Z0＝2，参考图3得到高阶Akhmediev呼吸子精确解的演化图。
参考图7，为高阶Akhmediev呼吸子经过光学斩波后在光纤中的传输结果图。其中令Z0＝0，以便观察其传播距离，可以看到高阶Akhmediev呼吸子在光纤中可以稳定且长距离进行传输。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于高阶Akhmediev呼吸子提取高质量脉冲串的装置，其特征在于，包括：直接强度调制的1550nm激光二极管，相位调制器(PM)，强度调制器，一段具有反常色散的单模光纤(SMF)，一段正常色散的掺铒光纤(EDF)，光学斩波器；两个强度调制器分别连接两个不同频率时钟信号，其中直接强度调制的1550nm激光二极管连接相位调制器(PM)，经相位调制器(PM)后分别连接到两个强度调制器(IM)，两个强度调制器连接到耦合器，经过耦合器将两个不同频率的信号耦合到掺铒光纤，掺铒光纤放大以后在单模光纤中进行传输，然后连接光学斩波器对脉冲进行处理，最后通过光学采样示波器和光谱分析仪输出结果。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光学采样示波器和光谱分析仪分别为具有亚皮秒分辨率的超快速光学采样示波器(OSO)和具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱分析仪(OSA) 。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单模光纤的群色散为β2＝-22ps2/km，掺铒光纤的群速度色散为βE＝16ps2/km。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单模光纤的非线性系数为γ＝3W-1km-1，掺铒光纤的非线性系数为γE＝3W-1km-1。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个不同频率时钟信号分别为16GHz的电子时钟和24GHz的电子时钟。
6.根据权利要求1-5任一所述装置提取高质量脉冲串的方法，其特征在于，直接强度调制的1550nm激光二极管发射连续波被相位调制器进行相位调制，以避免布里渊反向散射；然后分别通过16GHz和24GHz时钟信号打击驱动的强度调制器(IM)对连续波信号进行正弦调制后输入耦合器耦合；通过耦合器耦合以后，得到高阶Akhmediev呼吸子；通过掺铒光纤将耦合后的高阶Akhmediev呼吸子连续波的平均功率放大到1.1W，然后在单模光纤(SMF)中进行传输，在传输到2.25km以后连接光学斩波器；将光学斩波器的频率设置为10KHz，利用光学斩波器的叶片遮挡平面背景波，高阶Akhmediev呼吸子的脉冲从光学斩波器的叶片间隙中通过。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用具有皮秒分辨率的超快速光学采样示波器和具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱仪来表征光波轮廓。
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