专利名称：基于萨格纳克环的多用途全光光学整形器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学整形器，特别是一种基于萨格纳克环的多用途全光光学整形器。
背景技术：
传统的萨格纳克光开关又称为非线性光学环形镜或光纤环形镜，它利用了光克尔效应。在先技术中，由英国电信研究实验室的N.J.DORAN等人发表在1989年Electronics Letters上第25期，第267～269页上，该萨格纳克光开关结构如图1所示。它由光纤耦合器3和光纤环4组成，是用一段光纤将光纤耦合器3的两个输出端口1、2连接起来形成一个环，端口1是输入端和反射光出射端，端口2是透射光出射端。从萨格纳克光开关的输入端1输入功率为P0的信号光，经过耦合器3后，信号光分为传播方向不同的两束光，该两束光由于自相位调制产生的相位差决定了反射光和透射光各自的功率。假定输入光功率P0沿顺时针方向传输的部分占全部功率的比率为ρ，ρ的具体数值是由光纤耦合器3决定的，萨格纳克光开关的透射率Ts＝|At2|/|A02|为Ts＝1-2ρ(1-ρ){1+cos[(1-2ρ)γP0l]} (1)其中A0是入射光的振幅，At是透射光的振幅，γ为非线性参量，l为光纤环的长度。如果ρ＝0.5，则Ts＝0，此时信号光完全反射。ρ≠0.5，光纤环在高功率和低功率下表现出不同的特性，可以用作光开关。
这种萨格纳克光开关最大的优点是两束光走相同的路径，这样就有效地抑制了由于外界温度和应力波动对光开关产生的不利影响。但是这种光开关也有很多缺点1、这种萨格纳克光开关依靠反向传输的两束信号光自相位调制(SPM)效应产生的非线性相位差来控制光开关，这样就要求信号光的功率很高，以致于产生非线性效应，这就限制了这种光开关在低功率条件下的运用。
2、由于信号光脉冲的功率p0是由时间波形决定的，由方程(1)可以看出这种光开关的透射率和反射率是和光脉冲的时间波形有关的，也就是说光脉冲的不同时刻的透射率和反射率是不同的，这样，这种光开关在理论上达不到完全打开和闭合，这样的光开关就不可能有很高的消光比。
3、由于光的透射率和反射率与光脉冲的时间波形有关，如果信号脉冲峰值部分由于自相位调制产生的非线性相移是π，这部分的透射率是100％，但信号脉冲其它部分的透射率将随光强减弱而减弱，这样使得透射信号光脉冲变得更加陡峭。所以传统的萨格纳克光开关会使信号脉冲产生显著畸变，透射光和反射光就不可能是原信号光的复制。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于克服上述传统萨格纳克光开关的缺点，提供一种基于萨格纳克环的全光光学整形器。这种光学整形器既可以用作全光开光，还具有其它多种用途。例如光学整形，光学采样。
本实用新型的技术解决方案如下一种基于萨格纳克环的全光光学整形器，包括输入端、输出端、光纤耦合器和光纤环，其特点是在该输入端的信号光路上依次设有第一渐变折射率微透镜、偏振片、第二渐变折射率微透镜和法拉第旋光器，再接光纤耦合器；所述的第一渐变折射率微透镜和第二渐变折射率微透镜旋转轴在同一直线上且共焦，该偏振片的中心位于两渐变折射率微透镜的焦点上，与两渐变折射率微透镜旋转轴的夹角为45°；还设有一条控制光光路，该控制光光路上依次设有延时装置、可变光衰减器、凸透镜、一光纤段、三环形的偏振控制器、第一WDM耦合器和第二WDM耦合器，该光纤段的一端位于该凸透镜的焦点，该光纤段的另一端通过第一WDM耦合器连接到光纤环上，在光纤环上和第一WDM耦合器相隔L设有第二WDM耦合器，且该L小于光纤环的半周长，所述的三环形的偏振控制器安装在该光纤段上。
所述的延时装置是由四块全反射镜构成第一反射镜的镜面和控制光传输的中心轴线成45°角，第二反射镜和第一反射镜的镜面相对且平行，第三反射镜和第二反射镜的镜面相对且成90°，第四反射镜和第三反射镜的镜面相对且平行，四个反射镜的中心都在控制光传输的中心轴线上，第一反射镜和第四反射镜与第二反射镜和第三反射镜之间的距离都是d。
所述的可变光衰减器可以用偏振片代替。
所述的凸透镜是普通的玻璃凸透镜，可以用自聚焦透镜来代替。
所述的光纤环上第一WDM耦合器和第二WDM耦合器之间的光纤段可以和光纤环的光纤相同，也可以用非线性系数较大的光纤熔接到该两WDM耦合器之间。
本实用新型的优点1、与传统的萨格纳克光开关相比，本光学整形器的信号光峰值功率可以很低。传统的萨格纳克光开关因为没有控制光，非线性相移是由信号光自己产生的，因此，信号光要很强，以至于产生足够的非线性相移。本光学整形器信号光的非线性相移是由控制光脉冲产生的，与信号光无关，信号光的峰值功率可以很低。
2、本光学整形器消光比高。传统的萨格纳克光开关由于非线性相移不是一个定值，透射率和反射率与信号光脉冲的时间波形有关，光开关的消光比不可能很高。这种光学整形器采用50∶50的光纤耦合器，这样，光纤环中相反方向传输的两束光由于自相位调制产生的非线性相移完全抵消，非线性相移仅跟交叉相位调制有关，ΦNL＝2kn2IpL。因此，光学整形器的透射率和反射率仅和控制光的时间波形有关，如果控制光脉冲基本为平顶型，使ΦNL＝2kn2IpL基本为常数π。这样，和控制光相互作用的信号光就可以完全关断，消光比就大大提高了。
3、经过该光学整形器的信号光的波形保真度高。传统的萨格纳克光开关缺点之一就是波形容易畸变。如果使用本光学整形器，并使控制光脉冲基本做成平顶型，信号光和控制光相互作用部分的透射率和反射率就是一个定值，这样就能很好地抑制信号光波形的畸变。
4、该光学整形器有多种用途。压缩脉冲通常含有较宽的底强度基座，可以利用这种光学整形器来消除，提升脉冲的前沿或前后沿。可以用来脉冲整形，通常，对窄谱光是不易进行脉冲时间整形的，利用本实用新型可以对单纵模激光进行脉冲整形。用容易实现光谱整形的宽谱脉冲作为控制光脉冲来调制窄谱脉冲，使窄谱脉冲变为我们所需要的脉冲时间波形。利用本实用新型还可以对信号光进行高速光学取样。控制光和信号光的波长越接近、控制光脉冲越短则采样效果越好。
此外，本光学整形器还和传统的格纳克光开关一样，具有工作点稳定，相应速度快等优点。
图1为传统的萨格纳克光开关的结构示意图图2为本实用新型基于萨格纳克环的全光光学整形器的结构示意图图3为本实用新型延时装置的结构图图4为只提升信号光脉冲前沿时，信号光和控制光在光纤段22上传输的时间关系图图5为提升信号光脉冲前后沿时，信号光和控制光在光纤段22上传输的时间关系图具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
先请参阅图2，图2为本实用新型基于萨格纳克环的全光光学整形器的结构示意图，由图可见，本实用新型基于萨格纳克环的全光光学整形器，包括输入端1、输出端2、光纤耦合器3和光纤环4，其特征在于在该输入端的信号光路1上依次设有第一渐变折射率微透镜11、偏振片12、第二渐变折射率微透镜13和法拉第旋光器14，再接光纤耦合器3；所述的第一渐变折射率微透镜11和第二渐变折射率微透镜13旋转轴在同一直线上且共焦，该偏振片12的中心位于两渐变折射率微透镜11、13焦点上，与两渐变折射率微透镜11、13旋转轴的夹角为45°；
还设有一条控制光光路5，该控制光光路5上依次设有延时装置51、可变光衰减器52、凸透镜53、一光纤段54、三环形的偏振控制器55、第一WDM耦合器56和第二WDM耦合器57，该光纤段54的一端位于该凸透镜53的焦点上，该光纤段54的另一端通过第一WDM耦合器56连接到光纤环4上，在光纤环4上和第一WDM耦合器56相隔L设有第二WDM耦合器57，且L小于光纤环4的半周长，所述的三环形的偏振控制器55安装在该光纤段54上。
所述的延时装置51，如图3所示，是由四块全反射镜构成第一反射镜511的镜面和控制光传输的中心轴线成45°角，第二反射镜512和第一反射镜511的镜面相对且平行，第三反射镜513和第二反射镜512的镜面相对且成90°，第四反射镜514和第三反射镜513的镜面相对且平行，四个反射镜的中心都在控制光传输的中心轴线上，第一反射镜511和第四反射镜514与第二反射镜512和第三反射镜513之间的距离都是d。通过调节d的长度可控制调节信号光和控制光的时间关系。
控制光首先进入延时装置51，延时装置之后是一个可变光衰减器52，可变光衰减器52的旋转中心轴和控制光传输的中心轴在同一直线上。可变光衰减器52之后是凸透镜53，凸透镜53镜面和从可变光衰减器52出射的控制光垂直，且凸透镜53的旋转中心轴和控制光传输的中心轴在同一直线上。凸透镜53之后有一段光纤54，光纤54的一端恰好在凸透镜53的焦点上，这样凸透镜53就把控制光耦合进光纤54，光纤54的另一端用第一WDM耦合器56连接到光纤环4上，和第一WDM耦合器56相隔L长光纤是第二WDM耦合器57，这样控制光就通过第二WDM耦合器57被引出光纤环4外。第一WDM耦合器56和第二WDM耦合器57之间的光纤4’的长度L要小于光纤环4的一半长度，且两个WDM都必须连接在以光纤耦合器3为起点的半个光纤环长度之内。这样，我们就可以保证在光纤环4内只有一个传输方向的信号光和控制光发生非线性作用，其中长度L就是控制光和信号光发生非线性作用的实际长度。在第一WDM耦合器56和凸透镜53之间的光纤54上安装有三环形的偏振控制器55。该偏振控制器55的作用是使信号光和控制光的偏振方向一致，此时交叉相位调制效应的效率最高，在产生一定的非线性相移时，所使用的控制光功率最小。
信号光光路1和传统的萨格纳克光开关相同，只是在信号光的输入端1加入了第一渐变折射率微透镜11、偏振片12、第二渐变折射率微透镜13和法拉第旋光器14，进入光纤耦合器3。其中第一渐变折射率微透镜11和第二渐变折射率微透镜13旋转轴在同一直线上，且两渐变折射率微透镜的焦点重合。偏振片12置于两渐变折射率微透镜11、13之间，与两渐变折射率微透镜旋转轴的夹角为45°角，偏振片12的中心位于两渐变折射率微透镜焦点上。法拉第旋光器14位于第二渐变折射率微透镜13和光纤耦合器3之间。本实用新型中，信号光用光纤引入第一渐变折射率微透镜11。第二渐变折射率微透镜13和法拉第旋光器14之间，法拉第旋光器14和光纤耦合器3之间均以光纤连接。光纤耦合器3的另一端2是一段光纤。
与传统的萨格纳克光开关相比，本光学整形器具有以下不同点1、在光纤环的非对称位置通过两个WDM引入/引出控制光，通过控制光对信号光的交叉相位调制来产生非线性相移，非线性相移是ΦNL＝2kn2IpL，这里Ip是控制光的光强，k是波矢量，n2是非线性折射率，L就是控制光和信号光发生非线性作用的实际长度。这样就可以利用控制光来控制光学整形器的打开和关闭。
2、本光纤整形器利用的光纤耦合器是50∶50的，而传统的萨格纳克光开关利用的光纤耦合器一定不是50∶50。利用50∶50的光纤耦合器可以将光纤环中相反方向传输的两束光由于自相位调制产生的非线性相移完全抵消3、在信号光光路中，添加渐变折射率微透镜对、偏振片、法拉第旋光器。法拉第旋光器使经过它的偏振光的偏振方向旋转45°角，这样正向传输的偏振信号光可以透过偏振片，反向传输的反射光就被偏振片反射出来。通过这套系统可以将反射光引出，避免了反射光进入信号光发生系统。在反射光是有用信号时，还可以有效地将反射光引出。
本实用新型具体的工作过程是从控制光输入端口输入控制光，控制光进入延时装置，通过调节延时装置中d的大小来保证信号光和控制光在两WDM之间的传输的时间关系符合我们的要求。从延时装置出射的控制光经过可变光衰减器，调节可变光衰减器，使交叉相位调制的非线性相移恰好是π。凸透镜将从可变光衰减器出射的控制光耦合进光纤，调节三环形的偏振控制器，使信号光和控制光在光纤中的传播时的偏振方向相同。控制光通过第一WDM耦合器进入光纤环，通过第二WDM耦合器被引出光纤环。信号光从输入端口输入，信号光的偏振方向和偏振片的偏振方向相同。信号光依次经过第一渐变折射率微透镜、偏振片、第二渐变折射率微透镜、法拉第旋光器、光纤耦合器，在光纤环中分成两束传输方向相反的光，其中只有一个传播方向上的光和控制光发生非线性作用。最后，从透射端或反射端出射的光脉冲就是经过整形的光脉冲。
压缩脉冲通常含有较宽的底强度基底，可以利用本实用新型光学整形器来消除，提升脉冲的前沿或前后沿。
只提升脉冲前沿时，从控制光输入端口5输入控制光a，控制光a进入延时装置51，通过调节延时装置51中d的大小来保证信号光b和控制光a在第一WDM耦合器5 6和第二WDM耦合器57之间的传输的时间关系，与图4相同。从延时装置51出射的控制光a经过可变光衰减器52，调节可变光衰减器52，使交叉相位调制的非线性相移恰好是π。凸透镜53将从可变光衰减器52出射的控制光a耦合进光纤54，调节三环形的偏振控制器55，使信号光b和控制光a在光纤4’中的传播时的偏振方向相同。控制光a通过第一WDM耦合器56进入光纤环4，通过第二WDM耦合器57被引出光纤环4。信号光b从信号光输入端口1输入，偏振方向和偏振片12的偏振方向相同。信号光b依次经过第一渐变折射率微透镜11、偏振片12、第二渐变折射率微透镜13、法拉第旋光器14、光纤耦合器3，在光纤环4中分成两束传输方向相反的光，其中只有一个传播方向上的光和控制光发生非线性作用。最后，从反射端口15出射的光脉冲就是前沿经过提升的光脉冲。
提升脉冲的前后沿时，基本的操作方式不变，利用延时装置51调节控制光a和信号光b的时间关系，如图5所示，从透射端口2出射的光脉冲就是前后沿都经过提升光脉冲。
可变光衰减器52是用来调节控制光光强的，控制光是偏振光时，也可以用偏振片代替。
凸透镜53是普通的玻璃凸透镜，用来将控制光耦合进光纤54，在控制光光斑比较小的情况下，可以用自聚焦透镜来代替。
光纤环4上两第一WDM耦合器56和第二WDM耦合器57之间的光纤段4’是用来产生非线性效应的，它可以和光纤环4的光纤相同，也可以将非线性系数较大的光纤熔接到该两第一WDM耦合器56和第二WDM耦合器57之间。
权利要求1.一种基于萨格纳克环的全光光学整形器，包括输入端(1)、输出端(2)、光纤耦合器(3)和光纤环(4)，其特征在于该输入端的信号光路(1)上依次设有第一渐变折射率微透镜(11)、偏振片(12)、第二渐变折射率微透镜(13)和法拉第旋光器(14)，再接光纤耦合器(3)；所述的第一渐变折射率微透镜(11)和第二渐变折射率微透镜(13)旋转轴在同一直线上且共焦，该偏振片(12)的中心位于两渐变折射率微透镜(11、13)焦点上，与两渐变折射率微透镜(11、13)旋转轴的夹角为45°；还设有一条控制光光路(5)，该控制光光路(5)上依次设有延时装置(51)、可变光衰减器(52)、凸透镜(53)、一光纤段(54)、三环形的偏振控制器(55)、第一WDM耦合器(56)和第二WDM耦合器(57)，该光纤段(54)的一端位于该凸透镜(53)的焦点上，该光纤段(54)的另一端通过第一WDM耦合器(56)连接到光纤环(4)上，和第一WDM耦合器(56)相隔L的光纤环(4)上是第二WDM耦合器(57)，且L小于光纤环(4)的半周长，所述的三环形的偏振控制器(55)安装在该光纤段(54)上。
2.根据权利要求1所述的全光光学整形器，其特征在于所述的延时装置(51)是由四块全反射镜构成第一反射镜(511)的镜面和控制光传输的中心轴线成45°角，第二反射镜(512)和第一反射镜(511)的镜面相对且平行，第三反射镜(513)和第二反射镜(512)的镜面相对且成90°，第四反射镜(514)和第三反射镜(513)的镜面相对且平行，四个反射镜的中心都在控制光传输的中心轴线上，第一反射镜(511)和第四反射镜(514)与第二反射镜(512)和第三反射镜(513)之间的距离都是d。
3.根据权利要求1所述的全光光学整形器，其特征在于所述的可变光衰减器(52)可以用偏振片代替。
4.根据权利要求1所述的全光光学整形器，其特征在于所述的凸透镜(53)是普通的玻璃凸透镜，可以用自聚焦透镜来代替。
5.根据权利要求1所述的全光光学整形器，其特征在于所述的光纤环上第一WDM耦合器(56)和第二WDM耦合器(57)之间的光纤段(4’)可以和光纤环(4)的光纤相同，也可以用非线性系数较大的光纤熔接到该两WDM耦合器之间。
专利摘要本实用新型公开一种基于萨格纳克环的全光光学整形器，包括输入端、输出端、光纤耦合器和光纤环，其特点是在输入端的信号光路上依次设有第一渐变折射率微透镜、偏振片、第二渐变折射率微透镜和法拉第旋光器，再接光纤耦合器；还设有一条控制光光路，该控制光光路上依次设有延时装置、可变光衰减器、凸透镜、一光纤段、三环形的偏振控制器、第一WDM耦合器和第二WDM耦合器，该光纤段的一端位于该凸透镜的焦点，该光纤段的另一端通过第一WDM耦合器连接到光纤环上，在光纤环上和第一WDM耦合器相隔L设有第二WDM耦合器，且该L小于光纤环的半周长，所述的三环形的偏振控制器安装在该光纤段上。本实用新型既可用作全光开光，还可用于光学整形和光学采样。
文档编号G02B6/26GK2676226SQ20032012254
公开日2005年2月2日 申请日期2003年12月17日 优先权日2003年12月17日
发明者蒋运涛, 李学春, 戴亚平, 钱列加, 高云凯 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所