CN111834869B - 用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源 - Google Patents

用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源，涉及高能激光技术领域。所述混沌光源全光相位调制种子源包含混沌激光调制光源、单频激光器、第一波分复用器、全光相位调制器及第二波分复用器。与现有技术相比本发明技术方案能针对现有基于射频信号源和电光调制器的相位调制种子源系统复杂、价格昂贵的不足，突破射频信号源输出带宽上的“电子瓶颈”，解决传统射频相位调制种子源成本高，抗电磁干扰差等技术痛点，实现种子光的有效调制和激光的高质量的光束输出。并且本发明提供的混沌光源全光相位调制种子源实现了全光调制，相比于现有技术的电频调制，本发明方案结构简单、鲁棒性强，能降低激光系统研制成本和复杂性，为窄谱光纤激光的种子源提供一种新型高性能低成本的技术解决方案。

Description

用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源
技术领域
本发明涉及高能激光技术领域，具体涉及一种用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源。
背景技术
高功率窄谱光纤激光器通常是指输出功率百瓦级至数千瓦级、输出线宽MHz至百GHz量级的光纤激光器，由于其效率高、光束质量好等突出优点，已成为激光探测、光束合成、频率转换等应用的理想光源，近年来发展迅猛。当前，高功率窄谱光纤激光器基本采用主振荡功率放大(MOPA)结构，通过对窄谱种子源的级联放大实现高功率输出。然而，在高功率窄谱激光的放大过程中，光纤非线性将限制激光器功率提升或影响激光器的输出性能，如受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)以及光纤克尔效应造成的信号光线宽展宽等。
在多种常见的窄谱种子源中，相位调制种子源利用射频信号源和电光调制器(EOM)对单频激光施加不同形式(如正弦/白噪声(WNS)/伪随机码(PRBS))的相位调制，将单频激光展宽至适当线宽，可有效提升光纤放大器SBS阈值。同时，该类种子源具有绝佳的时域稳定性，放大过程中不会引起信号光的线宽展宽。因此，单频激光相位调制技术是目前公认的最适于高功率光纤放大的窄谱种子源。然而，该类型种子源需配置一整套高性能的射频信号源和调制器件(如数十GHz乃至更高带宽的信号发生器/或任意波形发生器(AWG)，以及微波放大器、带通滤波器和电光调制器等)，将较大增加窄谱光纤激光系统的研制成本(例如，一套射频调制系统成本核计在十万乃至更高，但目前一台国产工业千瓦级光纤放大器的成本却可以控制在十万以内)；同时将增加激光系统的体积和复杂性。总之，虽然传统SFL-PM种子源具有绝佳的非线性抑制能力，但基于射频调制的该类种子源在高功率激光系统的工程实现中存在着成本较高、系统复杂的技术痛点。
混沌激光(Chaotic laser)是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，具有类噪声类随机输出、频谱宽带大和抗干扰能力强等特性，在保密通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。常见的混沌激光可通过向半导体激光器/光纤激光器提供光反馈/或注入光信号的方式得以产生，其输出信号本身呈现出稳定的类噪声的随机起伏，同时以其作为熵源构建的光学系统还可以产生全光随机码。而全光调制技术(All-optical modulation)因其高速高带宽、抗电磁干扰等优点一直是光通信和光子学领域的研究热点。近年来随着石墨烯、黑磷等二维材料的引入，全光调制器件的研究得到了长足进步。全光相位调制主要通过光与材料之间的光学克尔效应或热光效应等方式将调制光的强度变化转化为信号光的相位信息，成为相位调制器研制重要的发展方向。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，即现有基于射频信号源和电光调制器的相位调制种子源系统复杂、价格昂贵的不足，采用基于混沌激光的调制光源(混沌激光调制光源CLS(Chaotic-Laser-System))作为调制光信号发生器，并采用全光相位调制器将调制信号光转化为单频种子光的相位变化，突破射频信号源输出带宽上的“电子瓶颈”，解决传统射频相位调制种子源成本高，抗电磁干扰差等技术痛点，实现种子光的有效调制和激光的高质量的光束输出。
本发明采用的技术方案如下：
一种混沌光源全光相位调制种子源，所述种子源包含混沌激光调制光源1、单频激光器2、第一波分复用器3、全光相位调制器4及第二波分复用器5；
所述混沌激光调制光源1用于产生特定形式的调制信号光，所述单频激光器2用于产生单频种子光，两种光信号通过第一波分复用器3耦合传输至全光相位调制器4中，所述全光相位调制器4用于将调制信号光转化为单频种子光的相位变化并展宽种子光光谱；
调制后的种子光通过所述第二波分复用器5耦合输出。
进一步的，所述混沌激光调制光源1通过光学方法或者光学信号处理，将原始混沌光信号转化为光学噪声或者光学随机码信号，为后续的全光调制提供调制种子光。
进一步的，所述单频激光器2为基于光纤或者半导体基质的分布式反馈(DFB)激光器或分布式布拉格反射(DBR)激光器。
进一步的，所述全光相位调制器4选用基于二维材料的光学克尔效应研制的器件，利用调制光信号在器件材料中产生的光学克尔效应将调制信号光强度信息转化为单频种子光的相位信息，从而有效展宽种子光光谱。
进一步的，所述混沌光源全光相位调制种子源内的光纤器件的中心波长与所述单频激光器2和调制信号光的中心波长相匹配。
进一步的，所述混沌激光调制光源1的中心波长在所述全光相位调制器4的工作波长附近，用于保证所述全光相位调制器4对调制信号光的吸收。
另一方面本发明还提供了一种用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源调制光路，包括前述任一混沌光源全光相位调制种子源和放大链路6。
进一步的，所述放大链路6包括依次连接的光纤隔离器61、预放大器62、高功率光纤放大器63，并用于对混沌光源全光相位调制种子源耦合输出的调制后的种子光23进行功率放大，从而输出展宽的高功率窄谱激光。
进一步的，所述混沌激光调制光源1用于产生噪声或随机码形式的调制信号光21；所述单频激光器2用于产生单频种子光22；所述第一波分复用器3用于将调制信号光21和单频种子光22耦合入光纤光路中；所述全光相位调制器4用于根据调制信号光21对单频种子光22进行全光相位调制；所述第二波分复用器5用于将调制后的种子光23耦合输出至放大链路6中。
进一步的，所述混沌激光调制光源1和单频激光器2产生的调制信号光21和单频种子光22经过所述第一波分复用器3耦合进入到所述全光相位调制器5的二维材料中，通过二维材料对调制信号光21进行吸收和转化，并利用光学克尔效应将调制信号光21的强度起伏转化为单频种子光22的相位信息，从而将单频激光予以展宽。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的混沌光源全光相位调制种子源，能针对现有基于射频信号源和电光调制器的相位调制种子源系统复杂、价格昂贵的不足，采用基于混沌激光调制光源作为调制光信号发生器，并采用全光相位调制器将调制信号光转化为单频种子光的相位变化，突破射频信号源输出带宽上的“电子瓶颈”，解决传统射频相位调制种子源成本高，抗电磁干扰差等技术痛点，实现种子光的有效调制和激光的高质量的光束输出。
本发明提供的混沌光源全光相位调制种子源实现了全光相位调制，相比于现有技术的电频调制，本发明方案结构简单、鲁棒性强，能降低激光系统研制成本和复杂性，为窄谱光纤激光的种子源提供一种新型高性能低成本的技术解决方案。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明实施例提供的一种混沌光源全光相位调制种子源示意图；
图2是本发明实施例提供的用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源的调制光路及放大链路示意图。
图中：1-混沌激光调制光源，2-单频激光器，3-第一波分复用器，4-全光相位调制器，5-第二波分复用器，6-放大链路，21-调制信号光，22-单频种子光，23-调制后的种子光，61-光纤隔离器，62-预放大器，63-高功率光纤放大器。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1所示，为一种混沌光源全光相位调制种子源，所述种子源包含混沌激光调制光源1、单频激光器2、第一波分复用器(WDM)3、全光相位调制器4及第二波分复用器(WDM)5。
所述混沌激光调制光源1用于产生特定形式的调制信号光，所述单频激光器2用于产生单频种子光，两种光信号通过第一波分复用器3耦合传输至全光相位调制器4中，所述全光相位调制器4利用材料的光学克尔效应将调制信号的强度起伏转化为种子激光的相位信息，即将调制光信号转化为单频种子光的相位变化，从而实现展宽种子光光谱。调制后的信号光通过所述第二波分复用器5耦合输出。
在一个优选实施例中，所述混沌激光调制光源1可选用基于光反馈的半导体集成混沌激光器产生混沌光信号，通过光学方法或者光学信号处理，将原始混沌光信号转化为光学噪声或者光学随机码信号，从而为后续的全光调制提供调制光信号。在另一个优选实施例中，所述基于混沌激光调制光源1还可以直接选择集成化的混沌激光芯片，使获得混沌调制光信号的装置更加小型化便利化。
在一个优选实施例中，所述单频激光器2可选用基于光纤或者半导体基质的分布式反馈(DFB)激光器或分布式布拉格反射(DBR)激光器，其具有体积小，时域稳定和信噪比高等优点，产品工艺成熟。
在一个优选实施例中，所述全光相位调制器4选用基于石墨烯或黑磷等二维材料的光学克尔效应研制的器件，利用调制光信号在器件材料中产生的光学克尔效应将调制光强度信息转化为单频种子光的相位信息，从而有效展宽种子光光谱。
在一个优选实施例中，所述混沌光源全光相位调制种子源内的光纤器件，如波分复用器(3和5)的中心波长应与所述单频激光器2和调制信号光的中心波长相匹配，同时所述混沌激光调制光源1的中心波长也需选择在所述全光相位调制器4的工作波长附近，从而保证所述全光相位调制器4对调制光信号的吸收，有效增大系统的调制深度。
进一步地，为了使单频种子光在调制后具有更高的光纤非线性阈值，需要对所述混沌激光调制光源1的调制信号光的输出信号形式和功率等参数进行调控和优化，使单频种子光在被调制后具有更平坦的光谱结构和更灵活的线宽调节能力，从而为后续的高功率放大提供性能良好的相位调制种子光。
由此得到的混沌光源全光相位调制种子源与传统相位调制种子源(如图2所示)相比，传统相位调制种子源使用的是射频信号源和电光相位调制器，而传统射频相位调制种子源具有成本高、抗电磁干扰差的技术痛点。而本实施例中通过混沌激光调制光源产生的光信号对单频激光器产生的信号光的全光化相位调制，获得与射频调制系统一致的调制效果，是对现有射频相位调制种子源的有益改进，实现相位调制种子源的全光化，降低了激光系统研制成本和复杂性，为窄谱光纤激光的种子源提供一种新型高性能低成本的技术解决方案。
实施例2
如图2所示，为用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源的调制光路及放大链路示意图。
所述混沌光源全光相位调制种子源包含混沌激光调制光源1、单频激光器2、第一波分复用器(WDM)3、全光相位调制器4及第二波分复用器(WDM)5。图中，所述混沌激光调制光源1用于产生噪声或随机码形式的调制信号光21；所述单频激光器2用于产生单频种子光22；所述第一波分复用器3用于将调制信号光21和单频种子光22耦合入光纤光路中；所述全光相位调制器4用于根据调制信号光21对单频种子光22进行全光相位调制；所述第二波分复用器5用于将调制后的种子光23耦合输出至放大链路6中。所述放大链路6包括依次连接的光纤隔离器61、预放大器62、高功率光纤放大器63依，并用于后续对调制种子源的耦合输出调制后的种子光23进行功率放大，从而输出展宽的高功率窄谱激光。
在一个优选实施例中，所述单频激光器2为高信噪比高稳定度尾纤输出10xxnm(如1064nm)DFB或DBR激光器，其输出功率在微瓦至毫瓦量级。所述混沌激光调制光源1产生的噪声或随机码形式的光学噪声信号，其功率在毫瓦至瓦量级，且中心波长选择与单频种子光偏离一定距离，如9xxnm(915nm)。所述混沌激光调制光源1和单频激光器2产生的调制信号光21和单频种子光22和经过所述第一波分复用器3耦合进入到所述全光相位调制器5的二维材料中，通过二维材料对调制信号光21进行吸收和转化，并利用光学克尔效应将调制信号光21的强度起伏转化为单频种子光22的相位信息，从而将单频激光予以展宽(如将种子光的线宽展宽至10GHz)。经过调制后的单频激光和未吸收完全的调制光再次经过后续的第二波分复用器5进行滤波，并将展宽后的调制后的种子光23耦合选出并依次注入到后续放大链路6中的光纤隔离器61和预放大器62、高功率光纤放大器63中，进而实现对信号激光的功率提升，最终获得百瓦乃至数千瓦的窄谱激光输出。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源，其特征在于，所述种子源包含混沌激光调制光源（1）、单频激光器（2）、第一波分复用器（3）、全光相位调制器（4）及第二波分复用器（5）；
所述混沌激光调制光源（1）用于产生特定形式的调制信号光，所述混沌激光调制光源（1）通过光学方法或者光学信号处理，将原始混沌光信号转化为光学噪声或者光学随机码信号，对所述混沌激光调制光源的调制信号光的输出信号形式和功率参数进行调控和优化，为后续的全光调制提供调制信号光，所述单频激光器（2）用于产生单频种子光，两种光信号通过第一波分复用器（3）耦合传输至全光相位调制器（4） 中，所述全光相位调制器（4）用于将调制信号光的强度起伏转化为单频种子光的相位变化并展宽种子光光谱；调制后的种子光通过所述第二波分复用器（5）耦合输出；波分复用器的中心波长与所述单频激光器（2）和调制信号光的中心波长相匹配。
2.如权利要求1所述的混沌光源全光相位调制种子源，其特征在于，所述单频激光器（2） 为基于光纤或者半导体基质的分布式反馈（DFB）激光器或分布式布拉格反射（DBR）激光器。
3.如权利要求1所述的混沌光源全光相位调制种子源，其特征在于，所述全光相位调制器
（4）选用基于二维材料的光学克尔效应研制的器件，利用调制光信号在器件材料中产生的光学克尔效应将调制信号光强度信息转化为单频种子光的相位信息，从而有效展宽种子光光谱。
4.如权利要求1所述的混沌光源全光相位调制种子源，其特征在于，所述混沌激光调制光源（1）的中心波长在所述全光相位调制器（4）的工作波长附近，用于保证所述全光相位调制器（4）对调制信号光的吸收。
5.一种用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源调制光路，其特征在于， 包括权利要求1-4中任一项所述的混沌光源全光相位调制种子源和放大链路（6）。
6.如权利要求5所述的用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源调制光路， 其特征在于，所述放大链路（6）包括依次连接的光纤隔离器（61）、预放大器（62）、高功率光纤放大器（63），并用于对混沌光源全光相位调制种子源耦合输出的调制后的种子光（23）进行功率放大，从而输出展宽的高功率窄谱激光。
7.如权利要求6所述的用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源调制光路，其特征在于，所述混沌激光调制光源（1）用于产生噪声或随机码形式的调制信号光（21）；所述单频激光器（2）用于产生单频种子光（22）；所述第一波分复用器（3）用于将调制信号光（21）和单频种子光（22）耦合入光纤光路中；所述全光相位调制器（4）用于根据调制信号光（21）对单频种子光（22）进行全光相位调制；所述第二波分复用器（5）用于将调制后的种子光（23）耦合输出至放大链路（6）中。
8.如权利要求7所述的用于高功率窄谱光纤放大的混沌光源全光相位调制种子源调制光路，其特征在于，所述混沌激光调制光源（1）和单频激光器（2）产生的单频种子光（22） 和调制信号光（21）经过所述第一波分复用器（3）耦合进入到所述全光相位调制器（4） 的二维材料中，通过二维材料对调制信号光（21）进行吸收和转化，并利用光学克尔效应将调制信号光（21）的强度起伏转化为单频种子光（22）的相位信息，从而将单频激光予以展宽。
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