CN112217091B - 可调谐超快速率暗脉冲产生装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调谐超快速率暗脉冲产生装置与方法，旨在解决传统暗脉冲产生系统面临的速率受物理腔长限制且难以调谐、系统体积较大、操作过程复杂等问题。装置包括泵浦单元、调制单元、集成微腔单元，监测单元及分析单元；方法包括调节泵浦单元出射窄线宽泵浦激光的功率与波长、通过调制单元对泵浦激光进行电光调制、集成微腔单元接收经过调制单元调制后的窄线宽泵浦激光，在腔内发生非简并四波混频效应实现频率拓展，形成暗脉冲及利用分析单元对暗脉冲的时域波形进行测量和分析的过程。本发明推动超快速率暗脉冲技术与现实应用的发展，具有重要研究意义和应用前景。

Description

可调谐超快速率暗脉冲产生装置与方法
技术领域
本发明涉及一种暗脉冲产生装置与方法，尤其涉及一种可调谐超快速率暗脉冲产生装置与方法。
背景技术
暗脉冲与亮脉冲是相对概念，是指稳定的连续光波背景下光强的周期性突然降低。传统脉冲激光器输出的几乎全是亮脉冲，即稳定连续光波背景下光强的周期性突然上升。自锁模激光发明以来，亮脉冲的理论与实现方法已经获得长足发展，相关技术在光纤通信、激光测距、精密加工、医疗美容等领域得到广泛应用。然而，亮脉冲在波导中进行传输时，其强度在传输过程中会逐渐降低，对传输过程中噪声和损耗极为敏感；而且一些常用光学器件色散为正值，在非线性共同作用下将导致亮脉冲光谱和时域展宽，从而制约了现实应用。与传统的亮脉冲相比，暗脉冲不仅完全能够实现相同的功能，而且具有噪声更低、损耗更小、传输速度更快等特殊优势，因此在信号处理、精密测量、长途通信、近距遥感等领域都拥有广泛的应用前景。
与亮脉冲相比暗脉冲较难以产生，现有方案大多是基于脉冲整形的激光外部控制技术(例如借助调制器、布拉格光栅等器件对激光进行后期整形实现暗脉冲)；或者利用特殊结构激光器直接产生(例如在正色散锁模光纤激光器中利用反饱和吸收效应或在半导体放大器中注入亮脉冲实现)。对于前者而言，须满足全正色散条件，且需空间光阑或光纤布拉格光栅、主动调频系统等进行后期脉冲整形，通常系统结构较为复杂、操作过程也较为繁琐，同时受腔长制约其产生速率上限一般为MHz量级；而对于后者，虽无需后期光学和电学整形，但产生的脉冲序列无法长期稳定并将最终衰减。因此，如何实现暗脉冲可靠和稳定产生成为了挑战性的技术难题。此外，面向现实应用，同时要求暗脉冲具有灵活的可调谐性，以便满足不同场景的特定需求。尤其是对于通信领域，由于暗脉冲在光纤传输时其强度不会降低或散开，因此不仅可显著降低在长程通信中所产生的噪声或误码、相对于传统亮脉冲有着更好的通信特征，而且速率可调的暗脉冲可进一步提升信源的调谐能力与适用范围，从而有望大幅改善未来光纤通信质量与信道容量。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调谐超快速率暗脉冲产生装置与方法，旨在解决传统暗脉冲产生系统面临的速率受物理腔长限制、难以调谐、系统体积较大、操作过程复杂、稳定性差等问题，实现功率阈值低、转换效率高、产生速率快、调谐范围广、操作过程简单及稳定性好的暗脉冲产生，突破现有瓶颈与能力限制，推动超快速率暗脉冲技术与现实应用的发展，具有重要研究意义和应用前景。
具有高品质因子的集成微腔，腔长为微米至亚毫米级，可通过超强的光场束缚能力极大地增强非线性效应过程，因此仅需数毫瓦的泵浦功率即可实现超快速率脉冲产生，突破传统脉冲产生方法面临的阈值高、效率低、速率慢等问题。而对于集成微腔中脉冲产生机理，相比于通常的简并四波混频效应，非简并过程可在更低阈值下实现更高效的频率转换，而且具有灵活可调优势。结合上下话路型(即Add-Drop型)集成微腔独特的四端口物理结构以及不同话路光场耦合性质共轭原理，可以满足超快速率暗脉冲产生以及调谐能力的需求。
为了解决上述问题，基于上述分析，本发明的技术解决方案是提供可调谐超快速率暗脉冲产生装置，其特殊之处在于：包括泵浦单元、调制单元、集成微腔单元，监测单元及分析单元；
上述泵浦单元用于提供窄线宽泵浦激光；
上述调制单元用于对窄线宽泵浦激光进行电光调制以及控制产生暗脉冲的速率；
上述集成微腔单元为上下话路型集成微腔即Add-Drop型集成微腔，用于接收经调制单元调制后的窄线宽泵浦激光，通过非简并四波混频效应，产生高速率暗脉冲；
上述监测单元用于监测判断集成微腔单元的模式锁定状态；
上述分析单元用于输出暗脉冲并测量其时域波形。
进一步地，为了满足集成微腔中频率谐振和非简并过程阈值条件，上述泵浦单元为窄线宽可调激光器。
进一步地，为了对泵浦激光进行电光调制并控制产生暗脉冲的速率，上述调制单元包括依次连接的电光调制器以及任意波形发生器；上述电光调制器的光学输入端与窄线宽可调激光器的输出端连接，电光调制器的输出端与集成微腔单元的输入端连接；上述电光调制器用于对泵浦激光进行电光调制；上述任意波形发生器的输出端与电光调制器的电学输入端连接，用于驱动和控制电光调制器的工作模式，通过调节电光调制器加载的工作频率与信号波形，改变电光效应的效果并最终实现对暗脉冲产生速率的灵活控制。
进一步地，为了接收调制后的泵浦激光并通过非简并四波混频产生高速率暗脉冲，上述上下话路型集成微腔输入端口与电光调制器的输出端连接，直通端口与监测单元的输入端连接，下载端口与分析单元的输入端连接，加载端口悬空。
进一步地，为了辨析泵浦激光与集成微腔模式锁定结果、为暗脉冲产生过程控制提供判据，上述监测单元为功率计，其输入端与上下话路型集成微腔的直通端口连接。
进一步地，上述分析单元包括依次连接的光电探测器和示波器，光电探测器用于对输出的暗脉冲进行光电变换，示波器用于对时域波形进行测量。上述光电探测器的输入端与上下话路型集成微腔的下载端口连接，输出端与示波器的输入端连接。
本发明还提供一种基于上述装置实现可调谐超快速率暗脉冲产生的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、调节泵浦单元出射窄线宽泵浦激光的功率与波长，使其强度超过集成微腔单元中发生非简并四波混频效应的产生阈值，中心频率满足集成微腔单元的频率谐振条件；通过监测单元对泵浦激光与集成微腔模式锁定的结果进行判断；
步骤二、通过调制单元对泵浦激光进行电光调制，在泵浦激光中心频率的两侧形成一对或多对新的频率成分，通过调节调制单元加载的射频信号，改变频率成分之间的间隔，控制暗脉冲的产生速率；
步骤三、集成微腔单元接收经过调制单元调制后的窄线宽泵浦激光，在腔内发生非简并四波混频效应实现频率拓展，形成周期性脉冲；
步骤四、集成微腔单元的下载端通过倏逝场将腔内光波耦合出来、自动实现暗脉冲的产生与输出；利用分析单元对暗脉冲的时域波形进行测量和分析，并据此微调泵浦功率以获得稳定的暗脉冲产生。
进一步地，步骤一具体为：
步骤1.1、调节上述窄线宽可调激光器出射窄线宽泵浦激光的功率，使其强度超过集成微腔单元中发生非简并四波混频效应的产生阈值，保持输出功率不变，缓慢增大窄线宽泵浦激光的中心波长；
步骤1.2、利用功率计监测上下话路型集成微腔直通端的透射功率，当该功率值突然显著降低时，即表明窄线宽泵浦激光的中心频率已满足集成微腔单元的频率谐振条件、实现了模式锁定，此时停止调谐窄线宽泵浦激光的中心波长；
进一步地，步骤二具体为：
通过电光调制器对泵浦激光进行电光调制，在其中心频率的两侧形成一对或多对新的频率成分，同时通过调节任意波形发生器的工作频率和输出信号波形，改变频率成分之间的间隔。
进一步地，任意波形发生器输出信号波形应设定为正弦或余弦形，工作频率应设定为集成微腔本征重复频率的整数倍或者整分数倍(例如本征重复频率为frep，则射频信号的工作频率应为N×frep或1/N×frep，其中N为自然数)。
本发明的优点是：
1、本发明利用集成微腔作为核心器件实现超快速率暗脉冲产生，能够解决传统暗脉冲产生系统面临的速率受物理腔长限制问题，最高速率可达45GHz，比传统方案典型水平提升2至3个数量级。
2、本发明通过对泵浦激光进行频率调制并利用集成微腔中的非简并过程实现暗脉冲产生，相比于其他方案采用的简并四波混频过程，降低了泵浦功率阈值，提高了非线性过程转换效率。泵浦功率最低为20mW。
3、本发明通过改变电光调制器加载的电学射频信号，实现对光学暗脉冲产生速率的灵活调谐，该过程属于主动调制类型，因此具有操作简便、易于控制和鲁棒性强的特点，调谐范围覆盖15GHz-45GHz。
4、本发明利用上下话路集成微腔独特的四端口物理结构以及不同话路光场耦合性质共轭原理，在下载端可自动实现暗脉冲的产生与输出，而无需后期光学或电学整形，不仅显著简化了系统结构并降低了构建成本，而且可靠性更强、集成度更高。
5、本发明对于集成微腔材料及尺寸无特定要求，同时可适用于不同波段，因此具有良好的通用性，可根据实际需求实现低噪声、高速率暗脉冲的受控产生，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为上下话路(Add-Drop)型集成微腔结构示意图；图中Input为输入端口，Through为直通端口，Drop为下载端口，Add为加载端口；
图3为速率15GHz的暗脉冲产生结果；其中a为时域波形，b为频域光谱；
图4为速率30GHz的暗脉冲产生结果；其中a为时域波形，b为频域光谱；
图5为速率45GHz的暗脉冲产生结果；其中a为时域波形，b为频域光谱。
图中附图标记为：1-窄线宽可调激光器，2-电光调制器，3-任意波形发生器，4-上下话路型集成微腔，41-输入端口，42-直通端口，43-下载端口，44-加载端口，5-功率计，6-光电探测器，7-示波器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本实施例提供了一种可调谐超快速率暗脉冲产生装置，包括用于提供窄线宽泵浦激光的泵浦单元，用于对泵浦激光进行电光调制并控制暗脉冲产生速率的调制单元，用于接收调制后的泵浦激光并通过非简并四波混频效应产生高速率暗脉冲的集成微腔单元，用于判别集成微腔单元模式锁定状态的监测单元，及用于输出暗脉冲并测量其时域波形的分析单元。
如图1所示，本实施例中泵浦单元为窄线宽可调激光器1，窄线宽可调激光器1的输出端与调制单元的输入端连接。调制单元包括依次连接的电光调制器2以及任意波形发生器3；电光调制器2用于对泵浦激光进行电光调制，其输出端与集成微腔单元的输入端连接；任意波形发生器3用于驱动和控制电光调制器2的工作模式，其他实施例中也可采用其他形式的射频信号产生器件或方案，只要配合电光调制器2能够对泵浦激光实现频率调制即可。集成微腔单元为上下话路型集成微腔4。结合图2，上下话路型集成微腔4的输入端口41与电光调制器2的输出端连接，直通端口42与监测单元的输入端连接，下载端口43与分析单元的输入端连接，加载端口44悬空。监测单元为功率计5，用于辨析泵浦激光与集成微腔模式锁定结果、为暗脉冲产生过程控制提供判据。分析单元包括依次连接的光电探测器6和示波器7，用于输出产生的暗脉冲并对其时域波形进行测量。
具体可通过下述过程产生可调谐超快速率暗脉冲：
1】、调节窄线宽可调激光器1出射窄线宽激光的功率，使其强度超过非简并四波混频效应的产生阈值，此时保持输出功率不变、缓慢增大泵浦激光的中心波长；利用功率计5监测上下话路型微腔4直通端的功率，当该功率值突然显著降低时，即表明泵浦激光的中心频率已满足频率谐振条件、实现了模式锁定，此时停止调谐泵浦激光的中心波长；
2】、通过调节任意波形发生器3的输出信号波形及工作频率，改变电光调制器2对泵浦激光进行电光调制的效果，实现对暗脉冲产生速率的灵活控制。任意波形发生器3输出信号波形应设定为正弦或余弦形，工作频率应设定为上下话路型集成微腔4本征重复频率的整数倍或者整分数倍(例如本征重复频率为frep，则射频信号的工作频率应为N×frep或1/N×frep，其中N为自然数)。
3】、上下话路型集成微腔4接收经过调制后的窄线宽泵浦激光，在腔内发生非简并四波混频效应，实现频率拓展，形成周期性脉冲；
4】、上下话路型集成微腔4的下载端通过倏逝场将腔内光波耦合出来、自动实现暗脉冲的产生与输出；利用示波器7对暗脉冲的时域波形进行测量和分析，并据此微调泵浦激光功率以获得最佳结果。
本发明工作原理是：
首先调节窄线宽可调激光器1的出射激光功率与波长，并通过功率计5对集成微腔单元模式锁定的结果进行判断，使其强度超过集成微腔单元发生非简并四波混频效应的产生阈值，中心频率满足集成微腔频率谐振条件。通过电光调制器2对泵浦激光进行电光调制，在其中心频率的两侧形成一对或多对新的频率成分，同时可通过调节任意波形发生器3的工作频率和输出信号波形，改变频率成分之间的间隔、控制脉冲的产生速率。上下话路型集成微腔4接收经调制的泵浦激光并通过非简并四波混频效应自动产生高速率脉冲，在腔内形成背景波与脉冲成分的叠加光场；同时基于不同话路光场耦合性质共轭原理，在下载端口输出背景波强于脉冲成分的暗脉冲。产生的暗脉冲在光电探测器6中进行光电转换，再通过示波器7对其时域波形进行测量分析。
参见图3、图4及图5，可调谐超快速率暗脉冲产生结果。图3为速率等于15GHz的暗脉冲产生结果；其中a为时域波形，b为频域光谱；可以看出此时暗脉冲在时域上表现为强背景波的周期性下陷、间隔为667ps，频域上包络为光滑的双曲正割型，而且中心频率处的连续背景波的强度明显高于两侧的强度。图4为速率30GHz的暗脉冲产生结果；其中a为时域波形，b为频域光谱；可以看出此时暗脉冲产生的时域间隔缩短为333ps，而且对比度相比图3的结果有明显提升，频域上则依然为中心频率处的光波强度最高。图5为速率45GHz的暗脉冲产生结果；其中a为时域波形，b为频域光谱；可以看出此时暗脉冲产生的时域间隔已进一步缩短至222ps，而频域带宽进一步增大，在两翼处形成了强烈的背景色散波。
利用上下话路型集成微腔并对泵浦激光进行电光调制可以实现可调谐超快速率暗脉冲产生，解决传统暗脉冲产生系统面临的速率受物理腔长限制问题，最高速率可达45GHz、比传统方案典型水平提升2至3个数量级。本发明中暗脉冲的产生为非简并四波混频效应，对比其他方案采用的简并四波混频，有效提高了非线性转换效率、降低了泵浦阈值，泵浦功率最低为20mW。本发明通过改变电学射频信号实现对光学暗脉冲产生速率的灵活调谐，属主动调制类型，具有操作简便、易于控制和鲁棒性强的特点，调谐范围覆盖15GHz-45GHz。本发明在下载端自动实现暗脉冲的产生与输出，无需后期光学或电学整形，显著简化了系统结构并降低了构建成本，可靠性强、集成度高；而且对于集成微腔材料及尺寸无特定要求，可适用于不同波段，具有良好的通用性，应用前景广阔。

Claims (9)

1.一种可调谐超快速率暗脉冲产生装置，其特征在于：包括泵浦单元、调制单元、集成微腔单元，监测单元及分析单元；
所述泵浦单元用于提供窄线宽泵浦激光；
所述调制单元包括依次连接的电光调制器（2）以及任意波形发生器（3）；所述电光调制器（2）用于对窄线宽泵浦激光进行电光调制，其光学输入端与窄线宽可调激光器（1）的输出端连接，输出端与集成微腔单元的输入端连接；所述任意波形发生器（3）的输出端与电光调制器（2）的电学输入端连接，用于驱动和控制电光调制器（2）的工作模式，通过调节电光调制器（2）加载的工作频率与信号波形，改变电光效应的效果并最终实现对暗脉冲产生速率的控制；
所述集成微腔单元为上下话路型集成微腔（4）即Add-Drop型集成微腔，用于接收经调制单元调制后的窄线宽泵浦激光，通过非简并四波混频效应，产生暗脉冲；
所述监测单元用于监测判断集成微腔单元的模式锁定状态；
所述分析单元用于输出暗脉冲并测量其时域波形。
2.根据权利要求1所述的可调谐超快速率暗脉冲产生装置，其特征在于：所述泵浦单元为窄线宽可调激光器（1）。
3.根据权利要求2所述的可调谐超快速率暗脉冲产生装置，其特征在于：
所述上下话路型集成微腔（4）输入端口与电光调制器（2）的输出端连接，直通端口与监测单元的输入端连接，下载端口与分析单元的输入端连接，加载端口悬空。
4.根据权利要求1-3任一所述的可调谐超快速率暗脉冲产生装置，其特征在于：所述监测单元为功率计（5）。
5.根据权利要求1-3任一所述的可调谐超快速率暗脉冲产生装置，其特征在于：所述分析单元包括依次连接的光电探测器（6）和示波器（7）；所述光电探测器（6）的输入端与上下话路型集成微腔的下载端口连接，输出端与示波器（7）的输入端连接。
6.一种基于权利要求1所述的可调谐超快速率暗脉冲产生装置实现可调谐超快速率暗脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、调节泵浦单元出射窄线宽泵浦激光的功率与波长，使其强度超过集成微腔单元中发生非简并四波混频效应的产生阈值，中心频率满足集成微腔单元的频率谐振条件；通过监测单元对集成微腔模式锁定的状态进行监测判断；
步骤二、通过调制单元对窄线宽泵浦激光进行电光调制，在窄线宽泵浦激光中心频率的两侧形成一对或多对新的频率成分，通过调节调制单元加载的射频信号，改变频率成分之间的间隔，控制暗脉冲的产生速率；
步骤三、集成微腔单元接收经过调制单元调制后的窄线宽泵浦激光，在腔内发生非简并四波混频效应实现频率拓展，形成周期性脉冲；
步骤四、集成微腔单元的下载端通过倏逝场将腔内光波耦合出来、自动实现暗脉冲的产生与输出；利用分析单元对暗脉冲的时域波形进行测量和分析，并据此微调泵浦功率以获得稳定的暗脉冲产生。
7.根据权利要求6所述的实现可调谐超快速率暗脉冲的方法，其特征在于，步骤一具体为：
步骤1.1、调节窄线宽可调激光器（1）出射窄线宽泵浦激光的功率，使其强度超过集成微腔单元中发生非简并四波混频效应的产生阈值，保持输出功率不变，缓慢增大窄线宽泵浦激光的中心波长；
步骤1.2、利用功率计（5）监测上下话路型集成微腔（4）直通端的透射功率，当该功率值突然显著降低时，即表明窄线宽泵浦激光的中心频率已满足集成微腔单元的频率谐振条件，实现了模式锁定，此时停止调谐窄线宽泵浦激光的中心波长。
8.根据权利要求7所述的实现可调谐超快速率暗脉冲的方法，其特征在于，步骤二具体为：
通过电光调制器（2）对泵浦激光进行电光调制，在其中心频率的两侧形成一对或多对新的频率成分，同时通过调节任意波形发生器（3）的工作频率和输出信号波形，改变频率成分之间的间隔。
9.根据权利要求8所述的实现可调谐超快速率暗脉冲的方法，其特征在于：
任意波形发生器（3）的输出信号波形设定为正弦或余弦形，工作频率应设定为集成微腔本征重复频率的整数倍或者整分数倍。
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