CN116454716A - 一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法，包括泵浦激光器、第一保偏光纤环形器、第一保偏光纤光栅、辅助谐振激光器、色散管理被动谐振腔、第二保偏光纤环形器、第二保偏光纤光栅和锁相环。本发明装置采用色散平衡的被动光纤谐振腔提供超短脉冲所需的克尔非线性效应和参量增益，将驱动激光的谐振频率锁定到被动谐振腔上，借助参量增益宽增益谱和保偏光纤抗干扰能力强的特性，实现抗环境噪声干扰的宽带色散管理孤子产生新方式，基于该装置可以获得重复频率MHz‑GHz的超短脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，更具体地，涉及一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法。
背景技术
克尔谐振器是支持研究复杂非线性光学现象的最简单系统之一。近年来因其在产生超短光脉冲和光学频率梳方面的应用价值而引起了国内外的广泛关注。光频梳现在已经在众多应用中发挥了不可替代的作用，例如光谱学、光子-微波频率合成、绝对距离测量、阿秒脉冲生成以及天文光谱仪校准等。基于非线性光学微腔的被动克尔谐振器具有体积小、非线性系数高、易于集成的特点，包括已经被证实可以用于光频梳的产生，在结构尺寸和驱动光功率方面展示出相比光纤激光器巨大的优势，特别是在重复频率方面，可以获得高达百GHz至THz的重复频率。在宏观尺度上，在克尔被动增强腔中，减少的非线性材料可以在更高的能量水平下实现对脉冲的高质量压缩。克尔谐振器脉冲生成的最早实验是在基于光纤的被动谐振腔中，而最近的研究已经展示了光纤被动谐振腔长程相互作用、时空孔隙不稳定性和时间探针等新的应用。同时，其他微腔谐振器相比，光纤提供了出色的热管理性能、严格的单模传输模式、极低的波导损耗以及成熟的高质量光学元件。
克尔谐振器由连续波激光器驱动，并通过参量频率转换产生宽带宽的腔模振荡。为了在腔模式之间建立时间相干性和规则的相位关系，克尔谐振器必须获得相位锁定。类似于基于增益介质的激光系统一样，克尔谐振器通过在腔内形成光学孤子实现锁模。克尔谐振器中最常见的孤子锁模与激光系统中的机制相关，即脉冲是通过负群速度色散和克尔非线性相位之间的平衡形成的，虽然相关，但宽带激光增益和克尔谐振器中的纵模间隔非常重要，现有的技术方案难以支撑宽带的孤子产生，而广泛应用于锁模激光器的色散管理孤子技术能否适用于克尔谐振器，获得更宽光谱覆盖范围的超短脉冲，任然缺乏技术验证。虽然基于光纤的被动克尔谐振器可以支持任意波长和重复频率的脉冲，但这些脉冲的脉冲宽度比锁模激光器产生的脉冲要宽。如何将色散管理孤子技术应用于被动光纤克尔谐振器，克服当前微腔克尔光频梳重复频率难以降低至GHz一下的技术难题，成为推动超短脉冲激光器应用的重要研究内容。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种色散管理孤子脉冲产生装置，包括泵浦激光器、第一保偏光纤环形器、第一保偏光纤光栅、辅助谐振激光器、色散管理被动谐振腔、第二保偏光纤环形器、第二保偏光纤光栅和锁相环；
所述泵浦激光器，用于提供产生克尔效应所需的泵浦激光，并通过所述第一保偏光纤环形器的输入端口入射至所述第一保偏光纤环形器；
所述辅助谐振激光器，用于产生辅助谐振激光，并入射至所述第一保偏光纤光栅，为所述色散管理被动谐振腔提供激励脉冲；
所述第一保偏光纤环形器，用于约束泵浦激光和辅助谐振激光的传输方向；
所述第一保偏光纤光栅，用于将泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中；
所述色散管理被动谐振腔，用于在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲，并将形成的色散管理孤子脉冲通过输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器中；
第二保偏光纤光栅，用于将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器中，作为参考光与色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号；
所述锁相环，用于根据所述误差信号反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述辅助谐振激光器生成的辅助谐振激光的重复频率低于所述色散管理被动谐振腔的光谱自由程。
可选的，所述泵浦激光器为具有MHz至GHz重复频率的窄线宽激光器，其频域上具有单频窄线宽特性，时域上表现为ns级的光脉冲；所述泵浦激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
可选的，所述辅助谐振激光器为具有MHz至GHz重复频率的脉冲激光器，其重复频率低于泵浦激光器；所述辅助谐振激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
可选的，所述色散管理被动谐振腔包括第一光纤耦合器、第一正色散光纤、负色散光纤和第二光纤耦合器；
泵浦激光和辅助谐振激光耦合进入所述色散管理被动谐振腔内，经过第一光纤耦合器和第一正色散光纤进入第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的大分光比输出端输出的脉冲激光经过所述负色散光纤，并通过所述第一光纤耦合器的第二输入端口注入到所述色散管理谐振腔内，所述第二光纤耦合器的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲。
可选的，所述色散管理被动谐振腔内的总色散量由所述第一正色散光纤和所述负色散光纤控制，根据所述色散管理被动谐振腔的尾纤长度决定所述第一正色散光纤和所述负色散光纤的比例，所述色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。
可选的，所述色散管理被动谐振腔包括第三光纤耦合器、第二正色散光纤、光纤环形腔、啁啾光纤光栅和第四光纤耦合器；
泵浦激光和辅助谐振激光耦合进入所述色散管理被动谐振腔内，经过第三光纤耦合器和第二正色散光纤进入第四光纤耦合器；所述第四光纤耦合器的大分光比输出端输出的脉冲激光通过所述光纤环形器耦合进入所述啁啾光纤光栅中，所述啁啾光纤光栅引入的正色散，经过反射后由所述光纤环形器输出，再次经过所述第三光纤耦合器注入到所述色散管理谐振腔内，所述第四光纤耦合器的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲。
可选的，所述色散管理被动谐振腔内的总色散量由所述第二正色散光纤和提供负色散的啁啾光纤光栅控制，根据所述色散管理被动谐振腔的尾纤长度和第二正色散光纤长度决定所述啁啾光纤光栅的啁啾量，所述色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。
根据本发明的第二方面，提供了一种色散管理孤子脉冲产生方法，包括：
泵浦激光器产生克尔效应所需的泵浦激光，并耦合到第一保偏光纤环形器中，经过第一保偏光纤光栅反射，同时辅助谐振激光器产生辅助谐振激光入射至第一保偏光纤光栅；在第一保偏光纤光栅滤波作用下，泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中，在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲；色散管理孤子脉冲由色散管理被动谐振腔的输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器，使用第二保偏光纤光栅将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器，作为参考光与形成的色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号，通过锁相环反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。
本发明提供的一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法，采用色散平衡的被动光纤谐振腔提供超短脉冲所需的克尔非线性效应和参量增益，将驱动激光的谐振频率锁定到被动谐振腔上，借助参量增益宽增益谱和保偏光纤抗干扰能力强的特性，实现抗环境噪声干扰的宽带色散管理孤子产生新方式，基于该装置可以获得重复频率MHz-GHz的超短脉冲。
附图说明
图1为本发明提供的一种色散管理孤子脉冲产生装置的结构示意图；
图2为基于色散补偿光纤的色散管理被动谐振腔的结构示意图；
图3为基于啁啾光纤光栅的色散管理被动谐振腔的结构示意图。
附图中，各标号所代表的器件名称如下：
101、泵浦激光器，102、第一保偏光纤环形器，103、第一保偏光纤光栅，104、辅助谐振激光器，105、色散管理被动谐振腔，106、第二保偏光纤环形器，107、第二保偏光纤光栅，108，锁相环；
201、第一泵浦激光输入端，202、第一光纤耦合器，203、第一正色散光纤，204、负色散光纤，205、第二光纤耦合器，206、第一色散管理孤子脉冲输出端；
301、第二泵浦激光输入端，302、第三光纤耦合器，303、第二正色散光纤，304、光纤环形腔，305、啁啾光纤光栅，306、第四光纤耦合器，307、第二色散管理孤子脉冲输出端。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
图1为本发明提供的一种色散管理孤子脉冲产生装置，参见图1，该装置包括泵浦激光器101、第一保偏光纤环形器102、第一保偏光纤光栅103、辅助谐振激光器104、色散管理被动谐振腔105、第二保偏光纤环形器106、第二保偏光纤光栅107和锁相环108。
其中，所述泵浦激光器101，用于提供产生克尔效应所需的泵浦激光，并通过所述第一保偏光纤环形器102的输入端口入射至所述第一保偏光纤环形器102；
所述辅助谐振激光器104，用于产生辅助谐振激光，并入射至所述第一保偏光纤光栅103，为所述色散管理被动谐振腔105提供激励脉冲，辅助谐振激光器104生成的辅助谐振激光的重复频率低于所述色散管理被动谐振腔105的光谱自由程。
所述第一保偏光纤环形器102，用于约束泵浦激光和辅助谐振激光的传输方向；
所述第一保偏光纤光栅103，用于将泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔105中；
所述色散管理被动谐振腔105，用于在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲，并将形成的色散管理孤子脉冲通过输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器106中；
第二保偏光纤光栅107，用于将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器106中，作为参考光与色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号；
所述锁相环108，用于根据所述误差信号反馈调控泵浦激光器101输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔105的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅107输出。
本发明中色散管理被动谐振腔是实现色散管理孤子超短脉冲的核心部件，其主要作用是泵浦激光在克尔非线性的作用下形成自相位调制，并在谐振腔内凭借色散平衡演化完成呼吸脉冲演化，通过光纤本身的参量增益补偿光纤腔内的损耗进而形成色散管理孤子脉冲。
其中，泵浦激光器101为具有MHz至GHz重复频率的窄线宽激光器，其频域上具有单频窄线宽特性，时域上表现为ns级的光脉冲；所述泵浦激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
辅助谐振激光器104为具有MHz至GHz重复频率的脉冲激光器，其重复频率低于泵浦激光器；所述辅助谐振激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
参见图2，为基于色散补偿光纤的色散管理被动谐振腔的结构示意图，如图2所示，该基于色散补偿光纤的色散管理被动谐振腔包括第一光纤耦合器202、第一正色散光纤203、负色散光纤204、第二光纤耦合器205。泵浦激光和辅助谐振脉冲激光由第一泵浦激光输入端201耦合进入色散管理被动谐振腔内，经过第一光纤耦合器202与第一正色散光纤203连接；第一正色散光纤203与第二光纤耦合器205连接；第二光纤耦合器205的大分光比输出端与负色散光纤204连接，然后再次与第一光纤耦合器202的第二输入端口连接，注入到色散管理谐振腔内；第二光纤耦合器205的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲，由第一色散管理孤子脉冲输出端206输出。色散管理被动谐振腔内的总色散量由第一正色散光纤203和负色散光纤204控制，根据色散管理被动谐振腔的尾纤长度决定第一正色散光纤203和负色散光纤204的比例，色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。
其中，第一正色散光纤203属于保偏光纤，通过波导结构设计实现群速度色散管理，能够提供与通讯波段保偏光纤相反的群速度色散。
参见图3，为基于啁啾光纤光栅的色散管理被动谐振腔的结构示意图，由于1030nm波段缺少负色散光纤，因此针对该波段提出了一种基于啁啾光纤光栅的色散管理被动谐振腔。如图3所示，包括第三光纤耦合器302、第二正色散光纤303、光纤环形腔304、啁啾光纤光栅305、第四光纤耦合器306。泵浦激光和辅助谐振脉冲激光由第二泵浦激光输入端301耦合进入色散管理被动谐振腔内，经过第三光纤耦合器302与第二正色散光纤303连接；第二正色散光纤303与第四光纤耦合器306连接；第四光纤耦合器306的大分光比输出端与光纤环形器304的第一端口连接，输入的激光通过光纤环形器304的第二端口耦合进入啁啾光纤光栅305中，啁啾光纤光栅305为补偿光纤，引入正色散，激光经过啁啾光纤光栅305反射后由光纤环形器304的第三端口输出，再次与第三光纤耦合器302的输入端口连接，注入到色散管理谐振腔内；第四光纤耦合器306的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲，通过第二色散管理孤子脉冲输出端307直接输出。色散管理被动谐振腔内的总色散量由第二正色散光纤303和提供负色散的啁啾光纤光栅305控制，根据色散管理被动谐振腔的尾纤长度和第二正色散光纤303长度决定啁啾光纤光栅305的啁啾量，色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。
其中，啁啾光纤光栅305是基于保偏光纤制作，通过合理布局布拉格反射结构实现群速度色散管理，能够提供群速度色散。
基于上述图1的色散管理孤子脉冲产生装置，本发明还提供了一种基于该装置产生色散管理孤子脉冲的方法，该方法包括：
泵浦激光器产生克尔效应所需的泵浦激光，并耦合到第一保偏光纤环形器中，经过第一保偏光纤光栅反射，同时辅助谐振激光器产生辅助谐振激光入射至第一保偏光纤光栅；在第一保偏光纤光栅滤波作用下，泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中，在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲；色散管理孤子脉冲由色散管理被动谐振腔的输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器，使用第二保偏光纤光栅将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器，作为参考光与形成的色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号，通过锁相环反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。
本发明提供的一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法，依靠色散平衡的保偏光纤色散管理被动谐振腔，平衡克尔非线性效应、参量增益、色散之间的关系，通过被动谐振腔模式与泵浦脉冲频率的相位锁定，充分发挥参量增益宽增益谱和保偏光纤抗干扰能力强的特点，获得重复频率MH至GHz的稳定超短脉冲。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
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)
1.一种色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，包括泵浦激光器、第一保偏光纤环形器、第一保偏光纤光栅、辅助谐振激光器、色散管理被动谐振腔、第二保偏光纤环形器、第二保偏光纤光栅和锁相环；
所述泵浦激光器，用于提供产生克尔效应所需的泵浦激光，并通过所述第一保偏光纤环形器的输入端口入射至所述第一保偏光纤环形器；
所述辅助谐振激光器，用于产生辅助谐振激光，并入射至所述第一保偏光纤光栅，为所述色散管理被动谐振腔提供激励脉冲；
所述第一保偏光纤环形器，用于约束泵浦激光和辅助谐振激光的传输方向；
所述第一保偏光纤光栅，用于将泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中；
所述色散管理被动谐振腔，用于在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲，并将形成的色散管理孤子脉冲通过输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器中；
第二保偏光纤光栅，用于将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器中，作为参考光与色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号；
所述锁相环，用于根据所述误差信号反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。
2.根据权利要求1所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述辅助谐振激光器生成的辅助谐振激光的重复频率低于所述色散管理被动谐振腔的光谱自由程。
3.根据权利要求1所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述泵浦激光器为具有MHz至GHz重复频率的窄线宽激光器，其频域上具有单频窄线宽特性，时域上表现为ns级的光脉冲；所述泵浦激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
4.根据权利要求1所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述辅助谐振激光器为具有MHz至GHz重复频率的脉冲激光器，其重复频率低于泵浦激光器；所述辅助谐振激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
5.根据权利要求1所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述色散管理被动谐振腔包括第一光纤耦合器、第一正色散光纤、负色散光纤和第二光纤耦合器；
泵浦激光和辅助谐振激光耦合进入所述色散管理被动谐振腔内，经过第一光纤耦合器和第一正色散光纤进入第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的大分光比输出端输出的脉冲激光经过所述负色散光纤，并通过所述第一光纤耦合器的第二输入端口注入到所述色散管理谐振腔内，所述第二光纤耦合器的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲。
6.根据权利要求5所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述色散管理被动谐振腔内的总色散量由所述第一正色散光纤和所述负色散光纤控制，根据所述色散管理被动谐振腔的尾纤长度决定所述第一正色散光纤和所述负色散光纤的比例，所述色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。
7.根据权利要求1所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述色散管理被动谐振腔包括第三光纤耦合器、第二正色散光纤、光纤环形腔、啁啾光纤光栅和第四光纤耦合器；
泵浦激光和辅助谐振激光耦合进入所述色散管理被动谐振腔内，经过第三光纤耦合器和第二正色散光纤进入第四光纤耦合器；所述第四光纤耦合器的大分光比输出端输出的脉冲激光通过所述光纤环形器耦合进入所述啁啾光纤光栅中，所述啁啾光纤光栅引入的正色散，经过反射后由所述光纤环形器输出，再次经过所述第三光纤耦合器注入到所述色散管理谐振腔内，所述第四光纤耦合器的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲。
8.根据权利要求7所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述色散管理被动谐振腔内的总色散量由所述第二正色散光纤和提供负色散的啁啾光纤光栅控制，根据所述色散管理被动谐振腔的尾纤长度和第二正色散光纤长度决定所述啁啾光纤光栅的啁啾量，所述色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。
9.一种色散管理孤子脉冲产生方法，应用于权利要求1所述的色散管理孤子脉冲产生装置，其特征在于，所述方法包括：
泵浦激光器产生克尔效应所需的泵浦激光，并耦合到第一保偏光纤环形器中，经过第一保偏光纤光栅反射，同时辅助谐振激光器产生辅助谐振激光入射至第一保偏光纤光栅；在第一保偏光纤光栅滤波作用下，泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中，在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲；色散管理孤子脉冲由色散管理被动谐振腔的输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器，使用第二保偏光纤光栅将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器，作为参考光与形成的色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号，通过锁相环反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。
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