CN116417890A - 基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置，包括：泵浦连续激光器、偏振分束器、耦合分束器、偏振置换谐振腔、偏振合束器。所述连续激光器与所述偏振分束器连接；所述偏振分束器将所述连续激光器输出的激发光按照偏振态分为两束并和所述耦合分束器连接；所述耦合分束器不改变输入光的偏振方向，与所述偏振置换谐振腔连接。偏振分束器将连续泵浦光按照偏振态分为两束，沿保偏光纤慢轴耦合；通过两个偏振光纤耦合器在由被动光纤组成的谐振腔内，依靠非线性增益、交叉自相位调制、克尔效应形成孤子脉冲，同时依靠偏振旋转器件实现偏振置换，补偿被动光纤引起的偏振模式色散，最终通过另外一个偏振合束器形成孤子。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，尤其涉及一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置。
背景技术
孤子是一种高度稳定的物理谐振模式，存在于许多非线性动力系统中，包括玻色-爱因斯坦凝聚体、极化子、流体动力学和锁模激光器中。相干场谐振产生的克尔谐振器作为一种典型的非线性耗散系统，已被证明可以维持孤子的产生和运行，这些孤子通常被称为腔孤子。首先在宏观光纤环形谐振器中进行实验观察，随后很快在集成片上微谐振器中观察到，由于在过去十年中，光孤子的研究对基础物理学的发展做出了卓越贡献，因此腔孤子引起了极大的关注。通常依靠反常色散、克尔非线性、增益和腔损耗之间的相互平衡，能够使光孤子在谐振腔内形成时域和频域固有稳定振荡，在应用方面，光孤子已被证明是一种理想的全光捕获和操纵技术，对于光信号处理技术的发展意义重大。由于周期性脉冲序列对应于频域中的一系列离散谱线，因此光孤子谐振在许多应用中被称为光频梳，在例如光谱学、光子-微波产生、光频率合成、天文光谱仪校准、超快光学测距和光通讯等领域得到广泛应用。
尽管上述传统的孤子脉冲具有许多突出的时频特性，但双曲正割形包络极大地限制了该区域的频谱平坦度和带宽。传统孤子光梳的形成过程依赖于反常色散和非线性相互作用引导的锁模，形成的光谱为双曲正割，平坦度和带宽有限。更为重要的是，当前稳定的光孤子产生依赖增益介质提供的能量，其光谱覆盖范围受限与增益介质的自发辐射光谱宽度，难以进一步拓展。因此急需发展一种不依赖掺杂介质，具有宽带增益的光孤子产生技术。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置，包括：泵浦连续激光器、第一偏振分束器、耦合分束器、偏振置换谐振腔、第一偏振合束器；
所述泵浦连续激光器与所述第一偏振分束器连接，用于提供激发非线性效应所需的能量；
所述第一偏振分束器将所述泵浦连续激光器输出的激发光按照偏振态分为两束，并和所述耦合分束器连接；
所述耦合分束器不改变输入光的偏振方向，与所述偏振置换谐振腔连接；
不同偏振态的激发光在所述偏振置换谐振腔内，发生交叉相位调制和光场偏振置换，累积形成的克尔非线性效应和负色散，交换偏振方向后再次回到耦合分束器中；
所述第一偏振合束器与耦合分束器连接，在第一偏振合束器内不同偏振态的光孤子实现合成，转化为标量孤子脉冲。
本发明的有益效果是：本发明的核心部件为偏振置换谐振腔，其主要作用是保证正交的偏振光在克尔非线性的作用下进而形成交叉相位调制并累积相同的色散量，最终形成孤子。其结构和工作原理为：偏振分束器将连续泵浦光按照偏振态分为两束，沿保偏光纤慢轴耦合；通过两个偏振光纤耦合器在由被动光纤组成的谐振腔内，依靠非线性增益、交叉自相位调制、克尔效应形成孤子脉冲，同时依靠偏振旋转器件实现偏振置换，本发明通过同时泵浦两个具有同样相反色散的正交偏振模式，两种模式之间的光场置换和交叉相位调制产生比传统孤子脉冲具有更宽和更平坦光谱的特定矢量孤子。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置结构示意图。
图2为本发明实施例提供的偏振相关谐振腔实施方案示意图。
图3为本发明实施例提供的偏振无关谐振腔实施方案示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
101、泵浦连续激光器，102、第一偏振分束器，103、耦合分束器，104、偏振置换谐振腔，105、第一偏振合束器；
201、P偏振光纤耦合器，202、S偏振光纤耦合器，203、第二偏振合束器，204、保偏单模光纤，205、第一偏振旋转器，206、第二偏振分束器；
301、第一光纤耦合PBS，302、第二光纤耦合PBS，303、第一光纤耦合器，304、单模光纤，305、第二偏振旋转器，306、第二光纤耦合器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，术语“例如”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“例如”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置，其特征在于，包括：泵浦连续激光器101、第一偏振分束器102、耦合分束器103、偏振置换谐振腔104、第一偏振合束器105；
所述泵浦连续激光器101与所述第一偏振分束器102连接，用于提供激发非线性效应所需的能量；所述泵浦连续激光器，具有单频窄线宽特性，输出激光偏振态为圆偏光或与保偏光纤慢轴呈45°角的线偏光，可以是光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
所述第一偏振分束器102将所述泵浦连续激光器101输出的激发光按照偏振态分为两束，并和所述耦合分束器103连接；
所述耦合分束器103不改变输入光的偏振方向，与所述偏振置换谐振腔104连接；
不同偏振态的激发光在所述偏振置换谐振腔104内，发生交叉相位调制和光场偏振置换，累积形成的克尔非线性效应和负色散，交换偏振方向后再次回到耦合分束器103中；
所述第一偏振合束器105与耦合分束器103连接，在第一偏振合束器105内不同偏振态的光孤子实现合成，转化为标量孤子脉冲。
本发明的核心部件为偏振置换谐振腔，其主要作用是保证正交的偏振光在克尔非线性的作用下进而形成交叉相位调制并累积相同的色散量，最终形成孤子。其结构和工作原理为：偏振分束器将连续泵浦光按照偏振态分为两束，沿保偏光纤慢轴耦合；通过两个偏振光纤耦合器在由被动光纤组成的谐振腔内，依靠非线性增益、交叉自相位调制、克尔效应形成孤子脉冲，同时依靠偏振旋转器件实现偏振置换，本发明通过同时泵浦两个具有同样相反色散的正交偏振模式，两种模式之间的光场置换和交叉相位调制产生比传统孤子脉冲具有更宽和更平坦光谱的特定矢量孤子。
实施例二
在实施例一的基础上，作为本发明的一个优选实施例，所述偏振置换谐振腔104为偏振相关谐振腔，实施方案如图2所示。
在该实施方案中，所述耦合分束器103包括P偏振光纤耦合器201和S偏振光纤耦合器202；
所述P偏振光纤耦合器201的输入端分别和第一偏振分束器102、偏振置换谐振腔104的P偏振光输出端连接，所述P偏振光纤耦合器201的输出端分别和第一偏振合束器105和偏振置换谐振腔104的P偏振光输入端连接，分别提供P偏振方向光孤子激发光及矢量孤子合成光；
所述S偏振光纤耦合器202的输入端分别和第一偏振分束器102、偏振置换谐振腔104的S偏振光输出端连接，所述S偏振光纤耦合器202的输出端分别和第一偏振合束器105和偏振置换谐振腔104的S偏振光输入端连接，分别提供S偏振方向光孤子激发光及矢量孤子合成光。
优选的，所述偏振置换谐振腔104包括第二偏振合束器203、保偏单模光纤204、第一偏振旋转器205、第二偏振分束器206；
所述第二偏振合束器203的输入端分别与所述P偏振光纤耦合器201和S偏振光纤耦合器202的输出端连接，所述第二偏振合束器203的输出端和保偏单模光纤204连接，用于将所述P偏振光纤耦合器201和S偏振光纤耦合器202输出的P偏振光和S偏振光合束，为谐振腔提供正交偏振的泵浦光；
所述保偏单模光纤204与第一偏振旋转器205连接，用于提供交叉相位调制、克尔非线性效应、负色散，形成孤子；
所述第一偏振旋转器205和第二偏振分束器206连接，用于改变入射光正交方向，实现偏振置换，将原有的P偏振光经过旋转器后变化为S偏振光，S偏振光转换为P偏振光；
所述第二偏振分束器206的输出端分别和P偏振光纤耦合器201和S偏振光纤耦合器202的输入端连接，原有的P偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到S偏振光纤耦合器202中，原有的S偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到P偏振光纤耦合器201中，构成完整的谐振腔。
实施例三
在实施例一的基础上，作为本发明的一个优选实施例，所述偏振置换谐振腔104为偏振无关谐振腔，实施方案如图3所示。
在该实施方案中，所述耦合分束器103包括第一光纤耦合PBS 301和第二光纤耦合PBS 302；
所述第一光纤耦合PBS 301的输入端分别和第一偏振分束器102的P偏振光输出端、偏振置换谐振腔104的S偏振光输出端连接，所述第一光纤耦合PBS 301的输出端分别和第一偏振合束器105的S偏振光输入端、偏振置换谐振腔104的P偏振光输入端连接，分别提供P偏振方向光孤子激发光耦合进入偏振置换谐振腔，并分离谐振腔产生的S偏振方向矢量孤子，用于产生孤子合成光；
所述第二光纤耦合PBS 302的输入端分别和第一偏振分束器102的S偏振光输出端、偏振置换谐振腔104的P偏振光输出端连接，所述第二光纤耦合PBS 302的输出端分别和第一偏振合束器105的P偏振光输入端、偏振置换谐振腔104的S偏振光输入端，分别提供S偏振方向光孤子激发光耦合进入偏振置换谐振腔，并分离谐振腔产生的P偏振方向矢量孤子，用于产生孤子合成光。
优选的，所述偏振置换谐振腔104包括第一光纤耦合器303、单模光纤304、第二偏振旋转器305、第二光纤耦合器306；
所述第一光纤耦合器303的输入端分别与第一光纤耦合PBS 301的P偏振光输出端、第二光纤耦合PBS 302的S偏振光输出端连接，所述第一光纤耦合器303的输出端和单模光纤304连接，用于将第一光纤耦合PBS 301输出的P偏振光、第二光纤耦合PBS 302输出的S偏振光进行耦合，为谐振腔提供正交偏振的泵浦光；
所述单模光纤304与第二偏振旋转器305连接，用于提供交叉相位调制、克尔非线性效应、负色散，形成孤子；
所述第二偏振旋转器305和第二光纤耦合器306连接，用于改变入射光正交方向，实现偏振置换，即原有的P偏振光经过旋转器后变化为S偏振光，S偏振光转换为P偏振光；
所述第二光纤耦合器306的P偏振光输出端与第二光纤耦合PBS 302连接，所述第二光纤耦合器306的S偏振光输出端与第一光纤耦合PBS 301连接，原有的P偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到第二光纤耦合PBS 302中，原有的S偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到第一光纤耦合PBS 301中，构成完整的谐振腔。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于偏振循环置换光纤被动谐振腔产生超短脉冲的装置，其特征在于，包括：泵浦连续激光器（101）、第一偏振分束器（102）、耦合分束器（103）、偏振置换谐振腔（104）、第一偏振合束器（105）；
所述泵浦连续激光器（101）与所述第一偏振分束器（102）连接，用于提供激发非线性效应所需的能量；
所述第一偏振分束器（102）将所述泵浦连续激光器（101）输出的激发光按照偏振态分为两束，并和所述耦合分束器（103）连接；
所述耦合分束器（103）不改变输入光的偏振方向，与所述偏振置换谐振腔（104）连接；
不同偏振态的激发光在所述偏振置换谐振腔（104）内，发生交叉相位调制和光场偏振置换，累积形成的克尔非线性效应和负色散，交换偏振方向后再次回到耦合分束器（103）中；
所述第一偏振合束器（105）与耦合分束器（103）连接，在第一偏振合束器（105）内不同偏振态的光孤子实现合成，转化为标量孤子脉冲。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泵浦连续激光器（101）具有单频窄线宽特性，输出激光偏振态为圆偏光或与保偏光纤慢轴呈45°角的线偏光。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振置换谐振腔（104）为偏振相关谐振腔。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述耦合分束器（103）包括P偏振光纤耦合器（201）和S偏振光纤耦合器（202）；
所述P偏振光纤耦合器（201）的输入端分别和第一偏振分束器（102）、偏振置换谐振腔（104）的P偏振光输出端连接，所述P偏振光纤耦合器（201）的输出端分别和第一偏振合束器（105）和偏振置换谐振腔（104）的P偏振光输入端连接，分别提供P偏振方向光孤子激发光及矢量孤子合成光；
所述S偏振光纤耦合器（202）的输入端分别和第一偏振分束器（102）、偏振置换谐振腔（104）的S偏振光输出端连接，所述S偏振光纤耦合器（202）的输出端分别和第一偏振合束器（105）和偏振置换谐振腔（104）的S偏振光输入端连接，分别提供S偏振方向光孤子激发光及矢量孤子合成光。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述偏振置换谐振腔（104）包括第二偏振合束器（203）、保偏单模光纤（204）、第一偏振旋转器（205）、第二偏振分束器（206）；
所述第二偏振合束器（203）的输入端分别与所述P偏振光纤耦合器（201）和S偏振光纤耦合器（202）的输出端连接，所述第二偏振合束器（203）的输出端和保偏单模光纤（204）连接，用于将所述P偏振光纤耦合器（201）和S偏振光纤耦合器（202）输出的P偏振光和S偏振光合束，为谐振腔提供正交偏振的泵浦光；
所述保偏单模光纤（204）与第一偏振旋转器（205）连接，用于提供交叉相位调制、克尔非线性效应、负色散，形成孤子；
所述第一偏振旋转器（205）和第二偏振分束器（206）连接，用于改变入射光正交方向，实现偏振置换，将原有的P偏振光经过旋转器后变化为S偏振光，S偏振光转换为P偏振光；
所述第二偏振分束器（206）的输出端分别和P偏振光纤耦合器（201）和S偏振光纤耦合器（202）的输入端连接，原有的P偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到S偏振光纤耦合器（202）中，原有的S偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到P偏振光纤耦合器（201）中，构成完整的谐振腔。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振置换谐振腔（104）为偏振无关谐振腔。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述耦合分束器（103）包括第一光纤耦合PBS（301）和第二光纤耦合PBS（302）；
所述第一光纤耦合PBS（301）的输入端分别和第一偏振分束器（102）的P偏振光输出端、偏振置换谐振腔（104）的S偏振光输出端连接，所述第一光纤耦合PBS（301）的输出端分别和第一偏振合束器（105）的S偏振光输入端、偏振置换谐振腔（104）的P偏振光输入端连接，分别提供P偏振方向光孤子激发光耦合进入偏振置换谐振腔，并分离谐振腔产生的S偏振方向矢量孤子，用于产生孤子合成光；
所述第二光纤耦合PBS（302）的输入端分别和第一偏振分束器（102）的S偏振光输出端、偏振置换谐振腔（104）的P偏振光输出端连接，所述第二光纤耦合PBS（302）的输出端分别和第一偏振合束器（105）的P偏振光输入端、偏振置换谐振腔（104）的S偏振光输入端，分别提供S偏振方向光孤子激发光耦合进入偏振置换谐振腔，并分离谐振腔产生的P偏振方向矢量孤子，用于产生孤子合成光。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述偏振置换谐振腔（104）包括第一光纤耦合器（303）、单模光纤（304）、第二偏振旋转器（305）、第二光纤耦合器（306）；
所述第一光纤耦合器（303）的输入端分别与第一光纤耦合PBS（301）的P偏振光输出端、第二光纤耦合PBS（302）的S偏振光输出端连接，所述第一光纤耦合器（303）的输出端和单模光纤（304）连接，用于将第一光纤耦合PBS（301）输出的P偏振光、第二光纤耦合PBS（302）输出的S偏振光进行耦合，为谐振腔提供正交偏振的泵浦光；
所述单模光纤（304）与第二偏振旋转器（305）连接，用于提供交叉相位调制、克尔非线性效应、负色散，形成孤子；
所述第二偏振旋转器（305）和第二光纤耦合器（306）连接，用于改变入射光正交方向，实现偏振置换，即原有的P偏振光经过旋转器后变化为S偏振光，S偏振光转换为P偏振光；
所述第二光纤耦合器（306）的P偏振光输出端与第二光纤耦合PBS（302）连接，所述第二光纤耦合器（306）的S偏振光输出端与第一光纤耦合PBS（301）连接，原有的P偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到第二光纤耦合PBS（302）中，原有的S偏振光经过谐振腔后偏振置换耦合到第一光纤耦合PBS（301）中，构成完整的谐振腔。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述泵浦连续激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
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