CN112688154A - 基于Peregrine孤子产生高质量脉冲串的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Peregrine孤子产生高质量脉冲串的装置和方法，包括：包括：Peregrine孤子发生器(1)、可饱和吸收体(2)、掺饵光纤放大器(3)、第一单模光纤(4)、隔离器(5)、偏振控制器(6)、光谱分析仪(7)和光学采样示波器(8)；本发明的有益效果是：(1)利用可饱和吸收体消除Peregrine孤子的背景波；(2)通过掺铒光纤放大器进行放大，并在单模光纤中传输，得到长距离稳定传输的呼吸式脉冲，抑制了Peregrine孤子在光纤中传播分裂的情况；(3)实现方法较为简单，为光脉冲的产生提供一种新的方法。

Description

基于Peregrine孤子产生高质量脉冲串的装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤光孤子领域，尤其涉及的是一种基于Peregrine孤子利用可饱和吸收体产生高质量脉冲的装置和方法

背景技术

这里所要研究的Peregrine孤子理论是由Peregrine提出，但最初一直没有被发现。直到2007年Solli观察到了极端的孤子脉冲。这些罕见的光学事件具有海洋怪波的标志性现象学特征，它们峰值功率非常大且看似不可预测，遵循L形统计，发生在非线性介质中，并且与典型事件相比具有宽带和时间上的陡峭性，这种光波成为光学怪波。光学怪波产生的物理机理有多种观点，其中一种理论就是利用Peregrine孤子来描述。Peregrine孤子是一种平面背景上的孤子脉冲，它在时间和空间上都是局域的，且具有较高的峰值功率。因此Peregrine孤子在高峰值功率脉冲产生方面具有潜在的应用。经研究发现，即使在非理想初始条件下，Peregrine孤子也可以在光纤系统实验中激发产生，这就为Peregrine孤子产生脉冲提供了可能。但由于Peregrine孤子中背景波的存在，在光纤的色散和非线性的相互作用下，Peregrine孤子在光纤系统中会发生分裂。所以为了获得高峰值功率的脉冲，首先要去掉Peregrine孤子的背景波。利用Peregrine孤子产生的高峰值功率脉冲，在光纤通信，光纤传感以及全光采样等方面都具有潜在的应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种基于Peregrine孤子利用可饱和吸收体在光纤中产生高质量脉冲，解决了Peregrine孤子在光纤中传播会产生分裂的问题，使得Peregrine孤子产生的脉冲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Peregrine孤子产生高质量脉冲串的装置，包括：Peregrine孤子发生器1、可饱和吸收体2、掺饵光纤放大器3、第一单模光纤4、隔离器5、偏振控制器6、光谱分析仪7和光学采样示波器8；将Peregrine孤子发生器1得到的Peregrine孤子输入到可饱和吸收体2中，利用可饱和吸收体消除的背景波，再将消除背景波的Peregrine孤子送入掺饵光纤放大器3中，经过放大后，使Peregrine孤子的功率达到2P₀后，P0是初始连续波输入的功率，然后输入到第一单模光纤4中进行传输，最后通过隔离器和偏振控制器，从偏振控制器6输出两路到光谱分析仪7和光学采样示波器8，由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和具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱分析仪。

所述的装置，第一单模光纤4的群色散为β₂＝-21.4ps²/km。

所述的装置，第一单模光纤4的非线性系数为γ＝1.2W^-1km^-1。

所述的装置，可饱和吸收体的初始吸收系数为0.4，调制深度为0.8，可饱和吸收体的饱和功率为2.8P₀。

所述的装置，频率时钟信号为16GHz的电子时钟。

根据所述装置提取高质量脉冲串的方法，将Peregrine孤子发生器1得到的Peregrine孤子输入到可饱和吸收体2中，利用可饱和吸收体消除的背景波，再将消除背景波的Peregrine孤子送入掺饵光纤放大器3中，经过放大后，使Peregrine孤子的功率达到2P₀后，P0是初始连续波输入的功率，然后输入到第一单模光纤4中进行传输，最后通过隔离器和偏振控制器，从偏振控制器6输出两路到光谱分析仪7和光学采样示波器8，由光学采样示波器和光谱分析仪输出结果。

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。

所述的方法，可饱和吸收体的初始吸收系数为0.4，调制深度为0.8，可饱和吸收体的饱和功率为2.8P₀。

本发明的有益效果是：(1)利用可饱和吸收体消除Peregrine孤子的背景波；(2)通过掺铒光纤放大器进行放大，并在单模光纤中传输，得到长距离稳定传输的呼吸式脉冲，抑制了Peregrine孤子在光纤中传播分裂的情况(3)实现方法较为简单，为光脉冲的产生提供一种新的方法。

附图说明

图1是本发明所采用的实验装置的结构示意图,a为基于Peregrine孤子利用可饱和吸收体产生高质量脉冲的装置示意图，b为Peregrine孤子发生器1结构示意图。

图2是本发明所采用的Peregrine孤子在单模光纤中的传输演化图形。

图3是本发明所采用的Peregrine孤子初始输入的波形图。

图4是本发明所采用的Peregrine孤子经过可饱和吸收体调制过后的波形图。

图5是本发明所采用的Peregrine孤子消除背景波之后在增益光纤中的传输演化立体图。

图6是本发明所采用的Peregrine孤子经过放大后在单模光纤中的传输演化立体图。

图7是本发明所采用的Peregrine孤子经过放大后在单模光纤中传输时，脉冲峰值功率和传输距离的关系图。

图8是本发明所采用的Peregrine孤子产生脉冲整体过程的传输演化立体图。

术语定义：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，ISO：隔离器。

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。

参考图1，基于Peregrine孤子利用可饱和吸收体产生高质量脉冲的装置，包括：Peregrine孤子发生器1、可饱和吸收体(SA)2、掺饵光纤放大器(EDFA)3、标准单模光纤(SMF)4、隔离器(ISO)5、偏振控制器(PC)6、具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱分析仪(OSA)7和具有亚皮秒分辨率的超快速光学采样示波器(OSO)8。将Peregrine孤子发生器1得到的Peregrine孤子输入到可饱和吸收体(SA)2中，利用可饱和吸收体消除(PS)的背景波，再将消除背景波的Peregrine孤子送入掺饵光纤放大器(EDFA)3中，经过放大后，使Peregrine孤子的功率达到2P₀(P0是初始连续波输入的功率)后，然后输入到第一单模光纤(SMF)4中进行传输，最后通过隔离器(ISO)和偏振控制器(PC)，从偏振控制器(PC)6输出两路到高动态范围光谱分析仪(OSA)7和超快速光学采样示波器(OSO)8，由光学采样示波器和光谱分析仪输出结果。

Peregrine孤子发生器1包括：1550nm连续波激光器(CW-Laser)9、相位调制器(PM)10、强度调制器(IM)11、16GHZ的时钟信号12、掺饵光纤放大器(EDFA1)13和第二单模光纤(SMF)14。首先，1550nm连续波激光器9发射连续波(CW)被相位调制器10进行相位调制；然后分别通过16GHz的时钟信号打击驱动的强度调制器(IM)11对CW信号进行正弦调制后输入掺饵光纤放大器13，再经过第二单模光纤14得到Peregrine孤子；其中第一单模光纤4的群色散为β₂＝-21.4ps²/km，第一单模光纤4的非线性系数为γ＝1.2W^-1km^-1，第二单模光纤14的参数与单模光纤4一致。

通过对可饱和吸收体的参数进行选择，如图4-5所示，当可饱和吸收体的初始吸收系数为0.3，调制深度为0.7时，可饱和吸收体的饱和功率为2.8P₀，无法消除Peregrine孤子的背景波，经过掺饵光纤放大器放大后，在单模光纤中传输仍保持继续分裂的特性，因此，确定可饱和吸收体初始吸收系数为0.4，调制深度为0.8，可饱和吸收体的饱和功率为2.8P₀，通过利用可饱和吸收体对脉冲进行处理以后，产生出高质量脉冲并且使之在光纤中稳定的传输。

其中1550nm的连续波激光器9连接相位调制器(PM)10，经相位调制器(PM)10后连接强度调制器(IM)11，经过掺饵光纤放大器(EDFA1)13，掺铒光纤放大器(EDFA)13放大以后，输入到第二单模光纤(SMF)14，这样就可以产生Peregrine孤子1，将产生的Peregrine孤子1输入到可饱和吸收体(SA)2进行调制，消去背景波后输入到掺饵光纤放大器(EDFA)3对调制过后的脉冲进行放大，再经过单模光纤(SMF)进行传输，然后在经过隔离器(ISO)和偏振控制器(PC)，最后通过光谱分析仪(OSA)7和光学采样示波器(OSO)8输出结果。

参考图2，为本发明所采用的Peregrine孤子在单模光纤中传输演化图。

参考图3，为本发明所采用的Peregrine孤子的波形图，可以看到Peregrine孤子具有较为明显的背景波。

参考图4，为本发明所采用的Peregrine孤子经过可饱和吸收体后消去背景波的波形图。图4(a)为可饱和吸收体的初始吸收系数为0.3，调制深度为0.7，饱和功率为2.8P_0，从图中可知Peregrine孤子仍然存在背景波，而图4(b)为可饱和吸收体的初始吸收系数为0.4，调制深度为0.8，饱和功率为2.8P₀，由图可以看出Peregrine孤子的背景波已基本消去。

参考图5(a)和5(b)，相对应于图4(a)和4(b)，为本发明所采用的Peregrine孤子消去背景波后经过掺饵光纤放大器中放大的示意图。图5(a)和5(b)相比较，图5(a)中可以发现当背景波没有被完全消去时，在掺饵光纤放大器中背景波也会被放大，导致形成的脉冲发生分裂，5(b)中消去背景波的Peregrine孤子只放大了脉冲部分，脉冲没有发生分裂。

参考图6，为本发明所采用的Peregrine孤子产生的脉冲在单模光纤中传输演化图，该脉冲形成呼吸式脉冲在光纤中长距离传输。

参考图7，为本发明所采用的Peregrine孤子产生的脉冲在单模光纤中传输时，峰值功率与传输距离的关系图，可以看出脉冲峰值功率沿着传输距离发生周期振荡。

参考图8，为本发明所采用的Peregrine孤子产生脉冲整个过程的传输演化图，可以看出经过掺饵光纤放大器放大后的脉冲质量较好且稳定传输。

本发明装置的理论原理如下：

Peregrine孤子作为研究对象，它的精确解的形式如下所示：

式中t是时间坐标，z是传输距离，P₀是初始光波的输入功率，

β₂是光纤的色散，γ是光纤的非线性系数，z₀是实常数，决定了PS孤子最高脉冲的激发位置。

可饱和吸收体的数学模型可用下面的方程来描述:

其中，α_ns是初始吸收系数，α₀为调制深度，P_sat是可饱和吸收体的饱和功率。

光透过可饱和吸收体的透过率如下式所示：

参考图7，为Peregrine孤子经过可饱和吸收体消去背景波，然后经过掺饵光纤放大器放大后传输的结果图，可以看到Peregrine孤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 (9)

1.一种基于Peregrine孤子产生高质量脉冲串的装置，其特征在于，包括：Peregrine孤子发生器(1)、可饱和吸收体(2)、掺饵光纤放大器(3)、第一单模光纤(4)、隔离器(5)、偏振控制器(6)、光谱分析仪(7)和光学采样示波器(8)；将Peregrine孤子发生器(1)得到的Peregrine孤子输入到可饱和吸收体(2)中，利用可饱和吸收体消除的背景波，再将消除背景波的Peregrine孤子送入掺饵光纤放大器(3)中，经过放大后，使Peregrine孤子的功率达到2P₀后，P₀是初始连续波输入的功率，然后输入到第一单模光纤(4)中进行传输，最后通过隔离器和偏振控制器，从偏振控制器(6)输出两路到光谱分析仪(7)和光学采样示波器(8)，由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和具有2.5GHz分辨率的高动态范围光谱分析仪。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一单模光纤(4)的群色散为β₂＝-21.4ps²/km。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一单模光纤(4)的非线性系数为γ＝1.2W^-1km^-1。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，可饱和吸收体的初始吸收系数为0.4，调制深度为0.8，可饱和吸收体的饱和功率为2.8P₀。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，频率时钟信号为16GHz的电子时钟。

7.根据权利要求1-6任一所述装置提取高质量脉冲串的方法，其特征在于，将Peregrine孤子发生器(1)得到的Peregrine孤子输入到可饱和吸收体(2)中，利用可饱和吸收体消除的背景波，再将消除背景波的Peregrine孤子送入掺饵光纤放大器(3)中，经过放大后，使Peregrine孤子的功率达到2P₀后，P₀是初始连续波输入的功率，然后输入到第一单模光纤(4)中进行传输，最后通过隔离器和偏振控制器，从偏振控制器(6)输出两路到光谱分析仪(7)和光学采样示波器(8)，由光学采样示波器和光谱分析仪输出结果。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，可饱和吸收体的初始吸收系数为0.4，调制深度为0.8，可饱和吸收体的饱和功率为2.8P₀。

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