CN115128822B - 一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置。所述装置包括包括依次连接的激光器、光纤放大器、光纤隔离器、第一偏振控制器、全光纤偏振控制器、第二偏振控制器和偏振分束器；所述的全光纤偏振控制器用于固定光纤法珀微腔，所述的光纤法珀微腔包括非线性光纤，其两端为镀有高反膜的陶瓷插芯；所述全光纤偏振控制器通过压力控制其非线性光纤的双折射分布情况；本发明装置操作手段简单、成本低廉、信号稳定，且高度集成化，有望成为光纤通信网络扩容的主要手段，并将很大程度上开拓光频梳在光通信的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，属于光学器件领域。
背景技术
光频梳在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成，凭借其高分辨率、高精度、高准确性的频率标准在相干光通信、原子钟、超快距离测量、双梳光谱以及天体物理等领域得到应用，也成为了现代信息网络的基石。近年来，具有超高品质因子的微腔中孤子梳的产生已经确立了微梳作为实验室外工具的地位。然而，传统的微梳的操作需要复杂的启动和反馈协议，而且随着光通信领域的发展，要求各器件能朝高度集成化发。同时，目前的光频梳器件往往为单泵浦激发单梳，形式比较单一，在数据传输方面大大限制了光频梳作为通信源的发展。因此如何设计一种能够通过单泵浦实现多路光频梳输出且高度集成化器件将很大程度上开拓光频梳在光通信的应用前景。
目前市面上可以直接产生高质量微梳的器件主要集中在微球、微环、微盘等腔体的研究，但这些难以直接集成到光学系统中，特别是全光纤系统。由于基于光纤法珀微腔的光频梳不需要控制微光纤和腔体的耦合调节以及避免空间光的使用，因此将进一步提高系统的集成度。此外可以利用非线性光纤光学中的布里渊效应，将其作为二级泵浦激发不同于泵浦源波长的光频梳，从而实现单泵浦源的双梳输出，并且输出信号可通过偏振复用提高一倍通道容量，有望成为光纤通信网络扩容的主要手段，也有助于灵活扩大现有光纤骨干网的容量，并能够为未来移动通信技术应用的部署做好准备。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术不足，设计了一种基于光纤法珀微腔的光频梳复用装置，
为实现上述技术目的，本发明的技术方案为：本发明实施例的第一方面提供了一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于，包括依次连接的激光器、光纤放大器、光纤隔离器、第一偏振控制器、全光纤偏振控制器、第二偏振控制器和偏振分束器；
所述的全光纤偏振控制器用于固定光纤法珀微腔，所述的光纤法珀微腔包括非线性光纤，其两端为镀有高反膜的陶瓷插芯；所述全光纤偏振控制器通过压力控制其非线性光纤的双折射分布情况；
所述光纤放大器用于放大激光器的输出功率；
所述光纤隔离器用于防止光纤法珀微腔的反射光对激光器和光纤放大器造成损害；
所述第一偏振控制器用于控制激光光源的偏振态；
所述第二偏振控制器用于光纤法珀微腔输出光的偏振态；
所述偏振分束器用以对光纤法珀微腔输出光两个正交偏振态的分离。
进一步地，所述非线性光纤为单模高非线性光纤，其长度为10.5cm-11cm，非线性系数大于10W-1km-1。
进一步地，所述镀有高反膜的陶瓷插芯中的高反膜由高折射率介质层与低折射率介质层交替堆积组成；所述低折射率介质层为SiO2，所述高折射率介质层为Ta2O5；介质层的膜层数大于或等于10层，高反膜在1500nm-1600nm的反射率达99％以上。
进一步地，所述的全光纤偏振控制器为全铝制，将光纤法珀微腔中的非线性光纤部分全部覆盖。
进一步地，所述全光纤偏振控制器包括可旋转区间和压力控制部分；其中，可旋转区间部分对光纤法珀微腔中的非线性光纤进行180°以上旋转，压力控制部分由可旋转区间上半部分的压块通过调节螺丝的松紧程度进行控制，。
进一步地，光纤法珀微腔两端的陶瓷插芯通过陶瓷套管与输入光纤与输出光纤相连，其中输入光纤为单模光纤-高非线性光纤的过渡光纤，其熔接损耗＜2dB，输出光纤为普通单模光纤。
进一步地，所述的全光纤偏振控制器与温度控制器连接；所述温度控制器用于控制光纤法珀微腔的温度恒定在25℃～40℃。
进一步地，所述激光源的波长范围在1540-1570nm。
进一步地，所述光纤放大器放大后的功率为0-7W。
本发明实施例的第二方面提供了一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用方法，应用于上述的基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用方法装置，将光纤法珀微腔置于全光纤偏振控制器中，设定温度控制器的温度恒定后，通过光纤放大器调节激光光源的功率和偏振控制器将泵浦光处于TM偏振态；通过控制全光纤偏振控制器的旋转角度和螺丝压力用于产生布里渊激光作为二级泵浦，可与激光光源分别激发两个不同波长，不同偏振态的光频梳，之后可通过偏振分束器实现光频梳的偏振复用。
本发明的有益效果为：本发明依托于光纤法珀微腔平台，通过腔外的偏振调控手段和微腔中的非线性效应产生的布里渊激光作为二级泵浦，从而实现单泵浦源的正交双梳产生和独立传输以及偏振复用。本发明所设计的光纤法珀微腔具有高度的集成化，可实现全光纤系统下的光频梳激发以及通过新的作用机理大大提高光纤通信传输容量，且操作手段简单，成本低廉，信号稳定，且可以将光纤法珀微腔以阵列形式组合，从而实现单泵浦下多路光频梳信号的同时输出，对于光纤通信领域数据传输容量和密集波分复用的频带占比提升具有极高的应用价值。
附图说明
图1为基于光纤法珀微腔的结构照片；
图2为全光纤偏振控制器的结构照片；
图3是本发明的实验系统图；
图4是由光谱上测得的泵浦光和布里渊激光信号；
图5是由泵浦源产生的光频梳信号；
图6是由布里渊激光产生的光频梳信号；
附图标记：1-1550nm激光器，2-光纤放大器，3-光纤隔离器，4-第一偏振控制器,5-第二偏振控制器,6-铝制全光纤偏振控制器，7-偏振分束器，8-温度控制器，9-螺丝，10-旋转区间，11-压块，12-陶瓷套管，13-陶瓷插芯
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明通过设计特定长度的光纤法珀微腔，并将其置于特定的偏振控制器之中，本发明实施例中通过外力挤压或者旋转偏振控制器的方式控制光纤法珀微腔的模式分布和谐振波长，从而可以在固定泵浦源波长条件下通过应力产生由泵浦以及布里渊激光激发的双梳，由于其双梳处于两个正交的偏振态，可采用偏振分束器实现偏振复用，实现光频梳通信的信道容量的提升。
如图3所示，本发明提出了一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于，包括依次连接的激光器、光纤放大器、光纤隔离器、第一偏振控制器、全光纤偏振控制器、第二偏振控制器和偏振分束器；
如图2所示，所述的全光纤偏振控制器用于固定光纤法珀微腔。如图1所示，所述的光纤法珀微腔包括非线性光纤，其两端为镀有高反膜的陶瓷插芯；所述全光纤偏振控制器通过压力控制其非线性光纤的双折射分布情况。
所述激光源的波长范围在1540-1570nm；所述光纤放大器用于放大激光器的输出功率，所述光纤放大器放大后的功率为0-7W；所述光纤隔离器用于防止光纤法珀微腔的反射光对激光器和光纤放大器造成损害；所述第一偏振控制器用于控制激光光源的偏振态；所述第二偏振控制器用于光纤法珀微腔输出光的偏振态；所述偏振分束器用以对光纤法珀微腔输出光两个正交偏振态的分离。
进一步地，所述光纤法珀微腔两端的陶瓷插芯通过陶瓷套管与输入光纤与输出光纤相连，其中输入光纤为单模光纤-高非线性光纤的过渡光纤，其熔接损耗＜1dB，输出光纤为普通单模光纤。
具体地，所述的光纤法珀微腔中的非线性光纤为单模高非线性光纤，其长度为10.5cm-11cm，非线性系数大于10W-1km-1。在与陶瓷插芯相连前需要对其端面进行切割并打磨，使其粗糙度＜10nm。所述镀有高反膜的陶瓷插芯中的高反膜由高折射率介质层与低折射率介质层交替堆积组成；所述低折射率介质层为SiO2，所述高折射率介质层为Ta2O5；介质层的膜层数大于或等于10层，高反膜在1500nm-1600nm的反射率达99％以上。
具体地，所述的全光纤偏振控制器为全铝制，将光纤法珀微腔中的非线性光纤部分全部覆盖。所述全光纤偏振控制器包括可旋转区间和压力控制部分；其中，可旋转区间部分对光纤法珀微腔中的非线性光纤进行180°以上旋转，压力控制部分由可旋转区间上半部分的压块通过调节螺丝的松紧程度进行控制，。
进一步地，所述的全光纤偏振控制器与温度控制器连接；所述温度控制器用于控制光纤法珀微腔的温度恒定在25℃～40℃。
之后由单模光纤与光纤法珀微腔另一陶瓷插芯由陶瓷套管固定作为输出端，其输出信号再经偏振控制器2与一偏振分束器相连，其作用为将输出信号的两个正交偏振态分别输出，
本发明实施例还提供了一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用方法，应用于上述的基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用方法装置：通过将光纤法珀微腔放置于全光纤偏振控制器中，其中光纤部分全部位于全光纤偏振控制器可旋转区间，两端的陶瓷插芯被固定在全光纤线性偏振控制器压块部分。通过设置1550nm激光器波长和功率，之后将1550nm激光器经光纤放大器后进行功率放大，调整第一偏振控制器4的角度，使泵浦光的偏振态处于TM模式。经光纤隔离器3连接第一偏振控制器4再经单模光纤-非线性光纤过渡光纤与光纤法珀微腔中陶瓷插芯12的相连，其作用为将输入的泵浦功率尽可能低损耗输入到光纤法珀微腔中，其中作为连接部分的陶瓷插芯12通过陶瓷套管13固定。之后由单模光纤与光纤法珀微腔另一端的陶瓷插芯由陶瓷套管固定作为输出端。通过缓慢调节全光纤偏振控制器旋转区间的角度和上方螺丝的压力，对光纤法珀微腔的双折射情况进行调节，使得泵浦光的偏振态处于TM模式，产生的布里渊激光的偏振态处于TE模式且作为二级泵浦存在。因此双方可以单独激发不同波长的光频梳，在光谱上可以观察到布里渊激光信号的产生——布里渊激光信号功率高于泵浦3dB——双梳产生的过程，在示波器上可以观察到两个偏振态能量由强到高噪态再到进入孤子态的较低能量态。通过调节第二偏振控制器5的角度，光纤法珀微腔的输出信号再经第二偏振控制器5与偏振分束器7相连，所述偏振分束器7用于将输出信号的两个正交偏振态分别输出。可以通过光谱仪，示波器等仪器直接观测信号输出情况。
所述的利用布里渊激光作为二级泵浦的主要原理为：布里渊散射是介质的三阶非线性引起的效应，入射的声子能够转化为一个具有更低能量的散射声子，通常是背向传播，还有另一个声子。光场与声波通过电致伸缩发生相互耦合。即使在很低的光功率情况下，这一效应也会发生，然后反射产生声子场。光功率更高时，会发生受激效应，这时主要由光场产生声子。经1550nm激光传输，在普通的石英光纤中通常表现为产生比泵浦光频率低的布里渊激光。由于所选取的非线性单模光纤长度为10.5cm-11cm，其对应的重复频率为902Mhz-945Mhz。由于其而产生的布里渊激光相较于泵浦频率降低了9.24Ghz，因此调节第一偏振控制器4的角度，使得当泵浦光位于TM模式，再利用全光纤偏振控制器来控制TE,TM的折射率差等于十倍重频与布里渊频率的差，即使得布里渊激光位于TE模。当布里渊激光功率比泵浦功率高3dB以上，再通过精调全光纤偏振控制器使得泵浦和布里渊都位于谐振峰的红失谐位置，此时经光纤法珀微腔输出的为双梳混合信号。之后调节第二偏振控制器5的角度将TE,TM模式进行分离输出，即可实现光频梳偏振复用技术。
实施例1
结合图1，选取一段长10.5cm长，4/125μm的单模非线性光纤，其非线性系数大于10W-1km-1，其剥去其两端涂覆层1cm，再将光纤两端都安装在陶瓷插芯中，利用紫外胶对接口进行固化，通过对陶瓷套管表面进行精细抛光，使得表面粗糙度＜5nm，然后使用离子辅助沉积方法在其表面涂覆十层Ta2O5和SiO2，进而可以在1500nm-1600nm达到99％的反射率，从而制作好所需的光纤法珀微腔。
之后将该微腔置于铝制全光纤偏振控制器，如图2所示。它主要由中间可旋转区间与两端固定区域组成，其中可旋转区间上半部分为由螺丝进行压力控制的压块。我们可以通过旋转中间旋转件或者挤压压块上方螺丝的方式控制光纤法珀微腔的模式分布和谐振波长，其中旋转方式主要作为粗调，旋转挤压作为精调。此外，温度控制器连接到铝制全光纤偏振控制器上用以对温度进行稳定。之后利用陶瓷套管将光纤法珀微腔两端的陶瓷插芯与输入光纤与输出光纤相连，其中输入光纤为单模光纤-非线性光纤的过渡光纤，其熔接损耗＜2dB，输出光纤为普通单模光纤。将1550nm激光器首先经光纤放大器后连接一光纤隔离器，再与第一偏振控制器4相连，在连接到输入光纤中，输出光纤先经第二偏振控制器5再与一偏振分束器相连，可以通过光谱仪，示波器以及频谱分析仪对偏振分束器输出的两路信号进行分析。
其具体操作过程为：固定1550nm激光器波长，设定功率为32dbm，通过旋转偏振控制器1的角度，使得激光器的TM模式强度远高于TE模式。通过旋转全光纤偏振控制器，观察到布里渊激光信号的产生，逐渐增加1550nm激光器功率，配合精调全光纤偏振控制器直到布里渊激光信号强度比1550nm泵浦功率高3dB以上。进一步加大1550nm激光器功率直到36dbm，通过螺丝挤压压块方式缓慢精调全光纤偏振控制器，并且调节偏振控制器2的角度使得TE,TM模式完全分开，可以观察到由偏振分束器输出的两路光频梳信号。
下面通过测试到的光谱信息对该过程进行详细说明。图4为功率为34dBm时所测的1550nm泵浦与布里渊激光信号，其中布里渊激光功率比泵浦高3.2dB。
之后通过进一步提高泵浦功率和精调全光纤偏振控制器，经偏振分束器测得两路光频梳信号，如图5与图6所示。
综上所述，本发明结合非线性光纤光学和微纳加工工艺，利用具有高品质因子的谐振腔低损耗、长光子寿命以及特定波长高局限性和高非线性光纤的结合，从而实现全光纤器件可集成化光频梳源的激发，同时通过选取特定长度的非线性光纤，搭配全光纤偏振器用以改变光纤法珀微腔中双折射分布情况进而实现单泵浦源的双光梳产生和偏振复用。该装置操作手段简单、成本低廉、信号稳定，且高度集成化，有望成为光纤通信网络扩容的主要手段，并将很大程度上开拓光频梳在光通信的应用前景。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于，包括依次连接的激光器、光纤放大器、光纤隔离器、第一偏振控制器、全光纤偏振控制器、第二偏振控制器和偏振分束器；
所述全光纤偏振控制器用于固定光纤法珀微腔，所述的光纤法珀微腔包括非线性光纤，其两端为镀有高反膜的陶瓷插芯；所述全光纤偏振控制器通过压力控制其非线性光纤的双折射分布情况；
所述全光纤偏振控制器包括可旋转区间和压力控制部分；其中，可旋转区间部分对光纤法珀微腔中的非线性光纤进行180°以上旋转，压力控制部分由可旋转区间上半部分的压块通过调节螺丝的松紧程度进行控制；
所述光纤放大器用于放大激光器的输出功率；
所述光纤隔离器用于防止光纤法珀微腔的反射光对激光器和光纤放大器造成损害；
所述第一偏振控制器用于控制激光光源的偏振态；
所述第二偏振控制器用于控制光纤法珀微腔输出光的偏振态；
所述偏振分束器用以对光纤法珀微腔输出光两个正交偏振态的分离。
2.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于，所述非线性光纤为单模高非线性光纤，其长度为10.5cm-11cm，非线性系数大于10W-1km-1。
3.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于，所述镀有高反膜的陶瓷插芯中的高反膜由高折射率介质层与低折射率介质层交替堆积组成；所述低折射率介质层为SiO2，所述高折射率介质层为Ta2O5；介质层的膜层数大于或等于10层，高反膜在1500nm-1600nm的反射率达99%以上。
4.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于，所述的全光纤偏振控制器为全铝制，将光纤法珀微腔中的非线性光纤部分全部覆盖。
5.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于：光纤法珀微腔两端的陶瓷插芯通过陶瓷套管与输入光纤与输出光纤相连，其中输入光纤为单模光纤-高非线性光纤的过渡光纤，其熔接损耗＜2dB，输出光纤为普通单模光纤。
6.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于：所述的全光纤偏振控制器与温度控制器连接；所述温度控制器用于控制光纤法珀微腔的温度恒定在25℃～40℃。
7.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于：所述激光光源的波长范围在1540-1570nm。
8.如权利要求1所述基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用装置，其特征在于：所述光纤放大器放大后的功率为0-7W。
9.一种基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用方法，其特征在于，应用于权利要求1~8任一项所述的基于光纤法珀微腔的光频梳偏振复用方法装置，将光纤法珀微腔置于全光纤偏振控制器中，设定温度控制器的温度恒定后，通过光纤放大器调节激光光源的功率和偏振控制器将泵浦光处于TM偏振态；通过控制全光纤偏振控制器的旋转角度和螺丝压力用于产生布里渊激光作为二级泵浦，可与激光光源分别激发两个不同波长，不同偏振态的光频梳，之后可通过偏振分束器实现光频梳的偏振复用。
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