專利名稱：基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器及整形方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光脈沖整形器及其整形方法，特別是基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器及其整形方法。
背景技術：
隨著超快光學技術的發(fā)展，已經(jīng)能夠產(chǎn)生皮秒和飛秒時間尺度上的光脈沖，并且在超快時間分辨光譜學，高精確的頻率計量等領域得到了廣泛的應用。但是許多應用還要求超快的光脈沖、任意波形的光脈沖，這使得任意波形光脈沖產(chǎn)生技術得到了很快的發(fā)展，對脈沖壓縮，光纖通信中的色散補償，量子力學過程的相干激光控制等技術產(chǎn)生了重大的影響。任意波形光脈沖產(chǎn)生技術仍處于研究的初級階段，但在許多領域有著潛在的應用前景，如高分辨率相干控制光譜學，T比特每秒的高速光通信系統(tǒng)，寬帶脈沖傳感，光雷達系統(tǒng)，任意微波信號產(chǎn)生等。任意波形光脈沖產(chǎn)生就是在超短光脈沖技術的基礎上，通過控制光脈沖空間位置、幅度、相位等可調諧變量來進行整形。任意波形光脈沖的產(chǎn)生方法可以分為兩種技術:直接時域合成和通過頻域控制合成兩種方法。時域方法使用多個延遲線產(chǎn)生多個延遲光脈沖來合成目標光脈沖；在通過頻域控制合成目標波形系統(tǒng)中，典型的是利用衍射光柵、陣列波導光柵、光纖布拉格光柵或色散光纖分離不同波長的譜線，然后用空間光調制器或光電調制器獨立地操縱每條譜線的幅度和相位，這類系統(tǒng)存在較高的耦合損耗，其中利用空間光調制器的OAWG系統(tǒng)體型笨重還需要復雜的準直控制。當前大部分實驗研究工作都是基于光譜的“逐行”整形的方法來產(chǎn)生任意脈沖信號，即對每一條譜線的幅度和相位分別進行控制，按照傅里葉變換原則可以得到所需要的光脈沖信號。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是解決全光任意波形產(chǎn)生系統(tǒng)存在較高的耦合損耗的問題，提供一種基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器及其整形方法。本發(fā)明提供的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器包括，由第一耦合器、第二耦合器、第一環(huán)形器、第一光纖光柵陣列和光纖延遲線構成的幅度控制器，以及由第二環(huán)形器和第二光纖光柵陣列構成的相位控制器(如圖1所示)；幅度控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和對所選譜線幅度進行調節(jié)；相位控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和對所選譜線相位進行調節(jié)；其中，第一耦合器的第一端口(I)用于輸入光學頻率梳，第一耦合器的第二端口(N)通過光纖延遲線連接第二耦合器的第一端口(Q)，第一耦合器的第三端口(M)連接第一環(huán)形器的第一端口(A)，第一環(huán)形器的第二端口(B)連接第一光纖光柵陣列，第一環(huán)形器的第三端口(C)連接第二耦合器的第二端口(P)，第二耦合器的第三端口(O)連接第二環(huán)形器的第一端口(D)，第二環(huán)形器的第二端口(E)連接第二光纖光柵陣列，第二環(huán)形器的第三端口(F)用于輸出波形；所述的光纖光柵陣列是由兩組或兩組以上的光纖布拉格光柵及光纖拉伸器組成。上述結構中，控制第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵之間的光纖長度，同時控制光纖延遲線的長度，使輸入的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光，通過兩條光路從第一耦合器到第二耦合器所產(chǎn)生的光程差小于輸入光學頻率梳的相干長度，保證進入第二稱合器的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光能夠發(fā)生干涉。上述第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中對應的光纖布拉格光柵具有相同的中心反射波長、相等的高反射率，每個光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵的中心反射波長呈等間隔排列且與輸入光學頻率梳的梳狀譜線相對應。上述輸出波形是所需波形的光脈沖?；诠饫w光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形方法，該方法包括以下步驟:(I)將光學頻率梳通過幅度控制器中的第一耦合器的第一端口(I)輸入；(2)通過幅度控制器和相位控制器對輸入光學頻率梳進行整形，使得選出的每條譜線的幅度和相位都被調整到與所需波形的幅度譜和相位譜分布一致；(3)產(chǎn)生的能夠動態(tài)調節(jié)的所需波形的光脈沖由第二環(huán)形器的第三端口(F)輸出。上述步驟(2)中對光學頻率梳的調整包括對光學頻率梳波長的選擇，以及對光學頻率梳幅度與相位的調整。上述對光學 頻率梳波長的選擇由第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中的光纖布拉格光柵實現(xiàn)，所選擇的波長由光纖布拉格光柵的中心反射波長決定，從輸入光學頻率梳中選出呈等間隔排列的譜線。上述對所選譜線幅度的調整由幅度控制器實現(xiàn)，當光纖延遲線的長度確定后，光纖延遲線對所選的譜線產(chǎn)生的相移量隨之確定，所以通過調節(jié)第一光纖光柵陣列中的光纖拉伸器，調整進入第二耦合器的兩路信號中所選譜線的相位差，就可以控制干涉的效果，最終實現(xiàn)將所選譜線的幅度分布調整到與輸出波形譜線的幅度分布一致。上述對所選譜線相位的調整由相位控制器實現(xiàn)，通過調節(jié)第二光纖光柵陣列中的光纖拉伸器調整所選譜線的相移量，使得調整后所選譜線的相位與輸出波形譜線的相位分布一致。本發(fā)明的工作原理:由第一光纖光柵陣列從輸入光學頻率梳中選出對應其中心反射波長的譜線，通過調節(jié)第一光纖光柵陣列中的光纖拉伸器，調整所選譜線的相移量，就可以控制所選波長的光的干涉效果，即實現(xiàn)對所選譜線幅度的控制。由第二光纖光柵陣列從干涉信號中選擇與其中心反射波長相對應的譜線，同時通過調節(jié)第二光纖光柵陣列中的光纖拉伸器，實現(xiàn)對所選譜線的相位的調整。本發(fā)明是關于，基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器及其整形方法，其結構的一個顯著特點是控制第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵之間的光纖長度，同時控制光纖延遲線的長度，使得輸入的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光，通過兩條光路從第一耦合器到第二耦合器所產(chǎn)生的光程差小于輸入光學頻率梳的相干長度，保證進入第二稱合器的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光能夠發(fā)生干涉；第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中對應的光纖布拉格光柵具有相同的中心反射波長、相等的高反射率，每個光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵的中心反射波長呈等間隔排列且與輸入光學頻率梳的梳狀譜線相對應。通過幅度控制器和相位控制器對所選譜線的幅度和相位進行調整，從而得到所需波形的光脈沖輸出。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:本發(fā)明使用光學頻率梳作為輸入光源，根據(jù)所需波形，即目標波形的參數(shù)，利用所設計的幅度控制器和相位控制器作為對輸入光學頻率梳的波長、幅度、相位的控制部分，通過對光學頻率梳的頻譜整形得到所需波形的光脈沖輸出。本發(fā)明無需準直控制、結構簡單，易于實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明所涉及的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器的結構不意圖。其中λη、λ ' η分別表不第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中第η (η=1, 2,
3,......)個光纖布拉格光柵的中心反射波長，F(xiàn)Sn、FS' 分別表不第一光纖光柵陣列和第
二光纖光柵陣列中第η (η=1，2，3，……)個光纖拉伸器。圖2為本發(fā)明實施例1所涉及的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器的工作效果圖，即產(chǎn)生的重復頻率為125GHz的可以動態(tài)調節(jié)的高斯波形光脈沖。圖3為本發(fā)明實施例2所涉及的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器的工作效果圖，即產(chǎn)生的重復頻率為125GHz可以動態(tài)調節(jié)的底邊寬度為4ps的三角波形光脈沖。圖4為本發(fā)明實施例3所涉及的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器的工作效果圖，即產(chǎn)生的·一種重復頻率為125GHz的、復雜的、可以動態(tài)調節(jié)的波形的光脈沖序列，這種波形在一個周期內(nèi)含有4個高斯波形，并且經(jīng)歷的時延分別為Ops、1.44ps、
3.68ps、6.08ps,幅值分別為 0.3、0.5、0.8、1，全高半寬分別為:0.2ps、0.3ps、0.4ps、
0.45ps。圖中，I是第一I禹合器，2是第二f禹合器,3是第一環(huán)形器,4是第一光纖光柵陣列,5是光纖延遲線，6是第二環(huán)形器，7是第一光纖光柵陣列，8是光學頻率梳。下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行進一步的說明。
具體實施例方式實施例中所述第一環(huán)形器和第二環(huán)形器的插入損耗為0.8dB，第一耦合器的分光比為0.55,第二稱合器的分光比為0.5,第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵的反射率都為1，輸入光學頻率梳中各個譜線的幅度為1，初始相位為O。實施例1:如圖1所示，一種基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器，它包括:由第一率禹合器、第二稱合器、第一環(huán)形器、第一光纖光柵陣列和光纖延遲線構成的幅度控制器，以及由第二環(huán)形器和第二光纖光柵陣列構成的相位控制器；幅度控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和對所選譜線幅度進行調節(jié)；相位控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和對所選譜線相位進行調節(jié)；其中，第一稱合器的第一端口(I)用于輸入光學頻率梳，第一稱合器的第二端口(N)通過光纖延遲線連接第二耦合器的第一端口(Q)，第一耦合器的第三端口(M)連接第一環(huán)形器的第一端口(A)，第一環(huán)形器的第二端口(B)連接第一光纖光柵陣列，第一環(huán)形器的第三端口(C)連接第二耦合器的第二端口(P)，第二耦合器的第三端口(O)連接第二環(huán)形器的第一端口(D)，第二環(huán)形器的第二端口(E)連接第二光纖光柵陣列，第二環(huán)形器的第三端口(F)用于輸出重復頻率為125GHz (周期8ps)的高斯波形光脈沖；所述光纖光柵陣列是由19組光纖布拉格光柵及光纖拉伸器組成。上述結構中，控制第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵之間的光纖長度，同時控制光纖延遲線的長度，使輸入的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光，通過兩條光路從第一耦合器到第二耦合器所產(chǎn)生的光程差小于輸入光學頻率梳的相干長度，保證進入第二稱合器的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光能夠發(fā)生干涉。上述第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中對應的光纖布拉格光柵具有相同的中心反射波長，每個光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵的中心反射波長呈等間隔排列且與輸入光學頻率梳的梳狀譜線相對應?；诠饫w光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形方法，該方法包括以下步驟:(I)將光學頻率梳通過幅度控制器中的第一耦合器的第一端口(I)輸入；(2)通過幅度控制器和相位控制器對輸入光學頻率梳進行整形，使得選出的每條譜線的幅度和相位都被調整到與所需波形的幅度譜和相位譜分布一致；(3)產(chǎn)生的重復頻率為125GHz (周期8ps)的高斯波形光脈沖由第二環(huán)形器的第三端口(F)輸出。上述步驟(2)中對光學頻率梳的調整包括對光學頻率梳波長的選擇，以及對光學頻率梳幅度與相位的調整。 上述對光學頻率梳波長的選擇由第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中的光纖布拉格光柵實現(xiàn)，所選擇的波長由光纖布拉格光柵的中心反射波長決定，從輸入光學頻率梳中選出呈等間隔排列的譜線。上述對所選譜線幅度的調整由幅度控制器實現(xiàn)，當光纖延遲線的長度確定后，光纖延遲線對所選的19條譜線產(chǎn)生的相移量(n=l，2，3……19)隨之確定，所以通過調節(jié)第一光纖光柵陣列中的光纖拉伸器，調整進入第二耦合器的兩路信號中所選19條譜線的相位差奶》(n=l，2，3……19)，控制干涉的效果，最終實現(xiàn)所選19條譜線的幅度分布調整到與輸出波形譜線的幅度分布一致。上述對所選譜線相位的調整由相位控制器實現(xiàn)，通過調節(jié)第二光纖光柵陣列中的光纖拉伸器調整所選19條譜線的相移量奶,》(n=l，2，3……19)，使得調整后所選19條譜線的相位與輸出波形譜線的相位分布一致?；诠饫w光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器的參數(shù)見表I。表1、光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器的參數(shù)
權利要求
1.基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器，其特征在于它包括:由第一耦合器(I)、第二耦合器(2)、第一環(huán)形器(3)、第一光纖光柵陣列(4)和光纖延遲線(5)構成的幅度控制器，以及由第二環(huán)形器(6)和第二光纖光柵陣列(7)構成的相位控制器；幅度控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和對所選譜線幅度進行調節(jié)；相位控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和對所選譜線相位進行調節(jié)；其中，第一耦合器的第一端口(I)用于輸入光學頻率梳(8)，第一耦合器的第二端口(N)通過光纖延遲線連接第二耦合器的第一端口(Q)，第一耦合器的第三端口(M)連接第一環(huán)形器的第一端口(A)，第一環(huán)形器的第二端口(B)連接第一光纖光柵陣列，第一環(huán)形器的第三端口(C)連接第二耦合器的第二端口(P)，第二耦合器的第三端口(O)連接第二環(huán)形器的第一端口(D)，第二環(huán)形器的第二端口(E)連接第二光纖光柵陣列，第二環(huán)形器的第三端口(F)用于輸出波形；所述的光纖光柵陣列是由兩組或兩組以上的光纖布拉格光柵及光纖拉伸器組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器，其特征在于調節(jié)第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵之間的光纖長度，同時調節(jié)光纖延遲線的長度，使輸入的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光，通過兩條光路從第一耦合器到第二耦合器所產(chǎn)生的光程差小于輸入光學頻率梳的相干長度，保證進入第二稱合器的對應于第一光纖光柵陣列中光纖布拉格光柵中心反射波長的光能夠發(fā)生干涉。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器，其特征在于所述的第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中對應的光纖布拉格光柵具有相同的中心反射波長、相 等的高反射率，同一個光柵陣列中光纖布拉格光柵的中心反射波長呈等間隔排列且與輸入光學頻率梳的梳狀譜線相對應。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器，其特征在于所述輸出波形是能夠動態(tài)調節(jié)的所需波形的光脈沖。
5.基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)將光學頻率梳通過幅度控制器中的第一耦合器的第一端口(I)輸入； (2)通過幅度控制器和相位控制器對輸入光學頻率梳進行整形，使得選出的每條譜線的幅度和相位都被調整到與所需波形的幅度譜和相位譜分布一致； (3)產(chǎn)生的能夠動態(tài)調節(jié)的所需波形的光脈沖由第二環(huán)形器的第三端口(F)輸出。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中對光學頻率梳的調整包括對光學頻率梳波長的選擇，及對光學頻率梳幅度與相位的調整。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法,其特征在于所述對光學頻率梳波長的選擇由第一光纖光柵陣列和第二光纖光柵陣列中的光纖布拉格光柵實現(xiàn)，所選擇的波長由光纖布拉格光柵的中心反射波長決定，從輸入光學頻率梳中選出呈等間隔排列的譜線。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于對所選譜線幅度的調整由幅度控制器實現(xiàn)，當光纖延遲線的長度確定后，光纖延遲線對所選的譜線產(chǎn)生的相移量隨之確定，所以通過調節(jié)第一光纖光柵陣列中的光纖拉伸器，調整進入第二耦合器的兩路信號中所選譜線的相位差，就可以控制干涉的效果，最終實現(xiàn)將所選譜線的幅度分布調整到與輸出波形譜線的幅度分布一致。
9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于對所選譜線相位的調整由相位控制器實現(xiàn)，通過調節(jié)第二光纖光柵陣列中的光纖拉伸器調整所選譜線的相移量，使得調整后所選譜線的相位與輸出波形譜 線的相位分布一致。
全文摘要
一種基于光纖光柵陣列和光纖延遲線的光脈沖整形器及其整形方法。整形器包括，由第一耦合器、第二耦合器、第一環(huán)形器、第一光纖光柵陣列和光纖延遲線構成的幅度控制器，以及由第二環(huán)形器和第二光纖光柵陣列構成的相位控制器。幅度控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和所選譜線幅度控制的功能；相位控制器，用于實現(xiàn)波長選擇和所選譜線相位控制的功能。光纖光柵陣列由光纖布拉格光柵及光纖拉伸器組成，通過對光學頻率梳的頻譜整形得到全光任意波形的輸出。通過調整兩個光纖光柵陣列中的光纖拉伸器就可以實現(xiàn)對輸入光學頻率梳的不同譜線的幅度和相位的調整，從而得到所需波形的光脈沖輸出。本發(fā)明無需準直控制、結構簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號G02B6/28GK103246017SQ201310174820
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月13日 優(yōu)先權日2013年5月13日
發(fā)明者張愛玲, 楊孟超 申請人:天津理工大學