CN1392639A - 在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器(AHNL－EDFL)中产生高阶锁模脉冲的方法，其应用在光纤通信领域，尤指利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性来获取高阶锁模脉冲序列，其通过调节调制器的调制参数来控制谐振腔中的模式损耗，在调制频率为1GHZ量微的情况下，可获得输出脉冲重复频率近10GHZ的超短光脉冲序列，即从AHNL－EDFL中可获得重复频率为分频、3阶、7阶、8阶的满意脉冲序列。

Description

在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法

一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法，其主要是利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性特征，应用在主动锁模掺铒光纤环形激光器中，产生高阶锁模脉冲。

高重复频率超短光脉冲产生技术是实现光纤通信系统超高速大容量传输的核心技术，在光纤通信系统中，掺铒光纤激光器是最具开发潜力的超短光脉冲源。目前从主动锁模掺铒光纤环形激光器(AHML-EDFL)获取优质高重复率超短光脉冲的主要方法有三种：谐波锁模(HML)、有理数谐波(RHML)和利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器非线性，产生高阶锁模。利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性在主动锁模掺铒光纤环形激光器(AHML-EDFL)中产生高阶锁模脉冲，国外的研究报告，目前获得最高的高阶锁模脉冲的Matamedi·A和Vahldiek·R等人也仅从铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性特征上获得4阶脉冲。

本发明的目的在于提供一种方法，其将有理数谐波(RHML)技术和利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性来产生高重复频率超短光脉冲的方法结合起来，获得在主动锁模掺铒光纤环形激光器(AHML-EDFL)中产生高阶锁模脉冲。

为达到上述目的，本发明人首先建立了数学模式，在数学上对利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性特性来获取高阶锁模脉冲序列做数值模拟，其铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的输出光场可表示为：

由此可得到： $E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=J_o\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\cos \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{o}t\right)-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\sin \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t\±{\mathrm{\ω}}_{m}t)-J_2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)$ $\cos \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t\±{2\mathrm{\ω}}_{m}t)+J_3\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\sin \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t\±{3\mathrm{\ω}}_{m}t)$ 上式所得的数字结果，在实验中得到证实。

为了详细的对本发明技术方案进行说明，下面对数学模拟及附图说明如下：

图1为本发明一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法实验装置图；

图2为本发明一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法EDFL输出2阶脉冲序列图；

图3为本发明一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法EDFL输出3阶脉冲序列图；

图4为本发明一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法EDFL输出分频脉冲序列图；

图5为本发明一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法EDFL输出7阶脉冲序列图；

图6为本发明一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法EDFL输出8阶脉冲序列图。

首先利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性在AHM-EDFL谐振腔中建立具有确定结构辐射场的物理过程，并从理论上获得利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性特征在AHML-EDFL中产生高阶锁模脉冲的物理机制，获得了铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器在单一正弦信号和混频信号驱动下的输出频谱与调制器偏压及调制深度的关系表达式，其铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的输出光场可表示为：

式(1)表明调制器出射光场与加在调制器上的电压V呈现非线性关系。这意味着调制器具有表率变换能力，其输出信号有可能比输入信号具有更丰富的频率成份。 $E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\cos [\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{o}t\right)---\left(2\right)$

式(2)中β＝V_b/V_πoV_b为偏置电压，α＝V_ac/V_π，它表示加在调制器上的驱动信号电压幅度大小，其中V_ac是角频率为ω_m的正弦射频信号的电压幅值。为了较好地了解调制器的频谱特征，可将式(2)用级数展开成含有贝塞尔系数的cos函数形式： $E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=J_o\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\cos \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{o}t\right)-J_1\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\sin \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t\±{\mathrm{\ω}}_{m}t)-J_2\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)$ $\cos \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t\±{2\mathrm{\ω}}_{m}t)+J_3\left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\sin \left[\mathrm{\β}\frac{\mathrm{\π}}{2}\right]\cos ({\mathrm{\ω}}_{o}t\±{3\mathrm{\ω}}_{m}t)---\left(3\right)$

式(3)中的J_n(α)是以α为参数的n阶第一类贝塞尔函数，J_o代表中心频率项，而J₁、J₂和J₃则分别表示输出光谱成份中的一阶、二阶和三阶边模，从上式可看出在载频上下有许多边频分量，它们与载频分量相隔都是调制频率的整数倍。可见调幅过程实际上是一种频率搬移过程。经过调制后，调制信号的频谱被搬移到载频附近，并形成上下对称的边带，其频谱宽度和边带的数目以及它们的幅度大小都与调制器的调制参数有关。在偏置状态一定的情况下，载频分量与各次边频分量的幅值大小由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。因此，一般各次高阶谐波的振幅随着V_ac/V_n的增加而变大。根据式(3)进一步分析可知腔内各纵模振荡的幅度除与V_b和V_ac有关外还与抽运功率有关。

式(3)表明调制器处于非线性调制情形下在频域上的作用如同一个可调谐滤波器，而在时域上则表现为调制频率的各谐波分量对载波的幅度调制。因此，某次高阶锁模脉冲的产生可认为是与此对应的某次高阶谐波调制的结果，即腔内快门打开的频率(调制器提供周期性损耗的快慢)取决于调制器中哪一个边模较强。由于各纵模通过铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器后所受到的损耗各不相同，哪一个边模所受到的损耗最小与调制器的偏压和调制深度有着直接关系，这表明有可能通过改变调制器的调制参数来使得满足腔内谐振条件的某一边模振荡的模式损耗比其它所有模式损耗都低，致使该模的振荡幅度比其它模都要强些，由此造成输入到调制器上的光场主要是受到该边模所含有的调制频率谐波分量的幅度调制。显然，利用调制器的非线性在AHML-EDFL中获取某次高阶锁模脉冲运转所要做的就是通过调节调制器2的调制参数来控制谐振腔中的模式损耗，以获得所需的高阶锁模脉冲序列。

请参照图1是本发明的实验装置图，由图示，实验装置主要由微波信号源1、调制器2、光滤波器3、微波放大器4、掺铒光纤放大器5、光通讯分析仪6等搭置而成，微波信号源1输出一标准信号，其信号分两路，一路为测试用信号，经由微波放大器4、电光调制器2、光滤波器3、掺铒光纤放大器5，由光通讯分析仪读取数据，另一路为同步比对信号向光通讯分析器6直接输送。本发明的在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法经上述装置实测，在调制频率为1GHZ量级的情况下，获得了输出脉冲重复频率近10GHZ的超短光脉冲序列，即通过有效的非线性调制手段成功的从AHNL-EDFL中获得了重复频率为分频、3阶、7阶最高锁模脉冲为8阶的满意的脉冲序列。图2至图6为本发明的一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法，EDFL输出2阶、3阶、分频、7阶、8阶脉冲序列图，由图所示，本发明的一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法，经实验验证获得了7阶和8阶的高阶锁模脉冲序列，在国内、外均属首次报告。

采用上述技术方案的将有理数谐波(RHML)技术和利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性来产生高重复频率超短光脉冲的方法结合起来，获得在主动锁模掺铒光纤环形激光器(AHML-EDFL)中产生高阶锁模脉冲，达到了本发明的目的。

Claims (3)

1.一种在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法，其特征在于：

(一)首先利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性特性来获取高阶锁模脉冲序列做数值模拟，得到数字表达式(3)；

(二)建立实验装置，其实验装置由微波信号源(1)、调制器(2)、光滤波器(3)、微波放大器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光通讯分析仪(6)等构成；微波信号源(1)较出一标准信号，其信号分两路，一路为测试用信号，经由微波放大器(4)、电光调制器(2)、光滤波器(3)、掺铒光纤放大器(5)，由光通讯分析仪读取数据，另一路为同步比对信号向光通讯分析器(6)直接输送。

2.如权利要求1所述的在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法，其特征在于：利用铌酸锂(LiNbO₃)强度调制器的非线性在AHML-EDFL中获取某次高阶锁模脉冲运转所要做的就是通过调节调制器(2)的调制参数来控制谐振腔中的模式损耗，以获得所需的高阶锁模脉冲序列。

3.如权利要求1所述的在主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生高阶锁模脉冲的方法，其特征在于：在调制频率为1GHZ量微的情况下，可获得输出脉冲重复频率近10GHZ的超短光脉冲序列，即从AHNL-EDFL中可获得重复频率为分频、3阶、7阶、8阶的满意脉冲序列。

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