主动式光控可调谐任意波长光延迟器的制作方法

专利名称：主动式光控可调谐任意波长光延迟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信领域和信息处理技术领域，特别是涉及一种主动式光控可调谐
任意波长光延迟器。
背景技术：
目前，光延迟器已经广泛应用于雷达技术、光信号处理和光通信等领域。目前所 使用的光延迟器，一部分是利用光波在光纤等工作介质中的传输距离的不同而实现时间延 迟；另一部分则是利用工作介质的非线性效应或者共振效应所对应的色散效应而实现光脉 冲的延迟。 最近，有的研究人员基于电磁感应透明(EIT)效应在超冷气态钠原子中实现了 17m/s的慢光，另外，还有人利用EIT效应在超低温掺镨硅酸钇(YS0:Pr)晶体中实现了光脉 冲的存储与再现，这些具有里程碑意义的工作引发了在非线性系统中基于不同色散机理实 现光脉冲延迟的研究热潮。 目前，利用非线性光波位相耦合色散效应、红宝石晶体中的相干布居振荡效应、光 纤中的受激布里渊散射和受激拉曼散射均能够实现光脉冲的时间延迟。此外，采用微光电 机械系统(ME0MS)调谐法、布拉格光栅、光学全通滤波器、光纤色散波长调谐以及横向位相 调制等技术也能够实现连续可调谐的时间延迟。 然而，由于上述技术是建立在信号光的非线性效应或者共振效应基础之上，要求 工作介质本身对信号光波具有光学非线性或者共振效应等的光学响应，因而只能实现特定 波段的信号光脉冲的时间延迟。 有鉴于此，目前迫切需要开发出一种光延迟，能够消除工作介质在信号光波段必 须具有非线性效应或者共振效应这些要求的束缚，实现对任意波段的信号光脉冲的时间延 迟进行调控。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器，其可 以对信号光脉冲时延的大小和正负进行精确的连续调控，而且消除了工作介质在信号光波 段必须具有非线性效应或者共振效应这些要求的束缚，实现对任意波段的信号光脉冲的时 间延迟进行调控，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。 为此，本发明提供了一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器，包括有外壳体 100，所述外壳体100的左端侧壁上从后往前依次开有控制光输入端口 200和信号光输入端 口 300，所述外壳体100的右端侧壁上开有一个光输出端口 400 ; 所述外壳体IOO内从左到右水平放置有第一透镜10、半透半反镜30、工作介质40、 带通滤波片50，所述第一透镜IO位于所述信号光输入端口 300的正右方，所述带通滤波片 50位于所述光输出端口 400的正左方； 所述半透半反镜30的正后方水平设置有第二透镜20，所述第二透镜20的正后方设置有一个反射镜80，所述反射镜80位于所述控制光输入端口 200的正右方；所述工作介质40为在控制光的波段具有光学非线性响应的介质。 优选地，所述半透半反镜30的正前方设置有一个挡光板70。 优选地，所述带通滤波片50与所述光输出端口 400之间设置有光阑60。 优选地，所述半透半反镜30和所述反射镜80的顶部向左倾斜且与水平方向之间
的夹角为锐角。 优选地，所述半透半反镜30和所述反射镜80与水平方向之间的夹角均为45度。
优选地，所述反射镜80与半透半反镜30互相平行。 优选地，所述工作介质40位于一个可左右水平移动的第一平移台1上，所述第二 透镜20位于一个可前后来回移动的第二平移台2上。 由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比，本发明提供的一种主动式 光控可调谐任意波长光延迟器，其可以对信号光脉冲时延的大小和正负进行精确的连续 调控，而且消除了工作介质在信号光波段必须具有非线性效应或者共振效应这些要求的束 缚，实现对任意波段的信号光脉冲的时间延迟进行调控，适合大规模的推广应用，具有重大 的生产实践意义。


图1为本发明提供的一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器的俯视示意图；
图2为本发明提供的一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器的具体实施系统 的结构示意图； 图3为波长为785nm的信号光的时延A t与工作介质相对于信号光焦点位置的间 距&之间的关系示意图； 图4a为无532nm控制光存在时，当工作介质位于信号光焦点后13. 6mm处时信号
光波以正常光速传输的波形图，其中粗实线为信号光波形，细点划线为参考光波形； 图4b为有532nm控制光存在时，当工作介质位于信号光焦点后13. 6mm处时信号
光波超光速传输的波形图；其中粗实线为信号光波形，细点划线为参考光波形； 图5为信号光波的时延A t与工作介质相对于控制光焦点位置的间距Zl之间的
映射关系图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本 发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器的俯视示意图。
参见图l，本发明提供了一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器，包括有外壳体 IOO，所述外壳体100的左端侧壁从后往前依次开有控制光输入端口 200和信号光输入端口 300，所述外壳体100的右端侧壁上开有一个光输出端口 400，所述光输出端口 400位于与信 号光输入端口 300相对应的位置上； 需要说明的是，在本发明中，所述控制光输入端口 200用于输入控制光，所述信号 光输入端口 300用于输入需要进行时延调控的信号光；
参见图l，所述外壳体100内从左到右水平放置有纵向分布的第一透镜10、半透半 反镜(BS) 30、工作介质40、带通滤波片50和光阑60，所述第一透镜10位于所述信号光输入 端口 300的正右方，所述带通滤波片50和光阑60位于所述光输出端口 400的正左方；
在本发明中，具体实现上，所述工作介质40为在控制光的波段具有光学非线性响 应(如热光非线性效应，克尔非线性效应等)的介质，如具有热光非线性效应的BCB(苯并 环丁烯)和掺杂染料的有机玻璃PMMA等，以及具有克尔非线性效应的二硫化碳等。
需要说明的是，在本发明中，所述半透半反镜30的顶部向左倾斜且与水平方向之 间的夹角为锐角，具体实现上，所述半透半反镜30与水平方向之间的夹角优选为45度；
所述半透半反镜30的正后方水平设置有第二透镜20，所述第二透镜20的正后方 设置有一个反射镜80，所述反射镜80位于所述控制光输入端口 200的正右方，同样，所述反 射镜80的顶部向左倾斜且与水平方向之间的夹角为锐角，所述反射镜80与水平方向之间 的夹角优选为45度； 在本发明中，具体实现上，所述反射镜80与半透半反镜30互相平行； 在本发明中，所述半透半反镜30的正前方设置有一个挡光板70，用于挡住穿透半
透半反镜30后形成的不需要利用的光； 需要说明的是，在本发明中，所述工作介质40位于第一平移台1上，该第一平移台 1可以左右水平移动，从而可以调节工作介质40相对于聚焦输入的信号光的焦点的位置；
所述第二透镜20位于第二平移台2上，所述第二平移台2可以前后来回移动，从 而调节聚焦输入的控制光的焦点与工作介质40的相对位置； 在本发明中，所述第一透镜10和第二透镜20，分别用于对入射的控制光和信号光 进行聚焦；所述半透半反镜30，控制光和信号光通过该半透半反镜BS实现同方向共轴传播 并入射到工作介质40上；第一平移台l和第二平移台2，分别用于调节工作介质40和信号 光或者控制光焦点的空间位置；挡光板70，用于挡住不需要的光；工作介质40，用于实现信 号光的延迟；而所述带通滤波片50以及光阑60，其中，带通滤波片50用于将控制光成分从 工作介质40后表面所出射的混合光中滤去，仅容许信号光成分通过，然后再通过光阑60获 得信号光的空间低频即傍轴成分。 需要说明的是，在本发明中，具体实现上，通过第一透镜10和第二透镜20将同步 的、具有相同调制频率的控制光和信号光聚焦，然后通过半透半反镜30使控制光和信号光 同方向共轴传播并入射到工作介质40中，其中，控制光和信号光原则上处于不同的波段， 工作介质40在控制光的波段具有光学非线性响应(如热光非线性效应，克尔非线性效应 等)，而信号光原则上可以处于任意波段，无光学非线性或者共振效应的要求。
由于控制光引起的非线性效应，工作介质40的折射率将受到控制光光强的调制， 随着控制光光强的空间和时间分布的变化而变化。例如对于热光非线性而言，工作介质40 将会由于吸收入射光的能量而导致工作介质40的温度发生改变，进而由于热光效应引起 工作介质折射率的改变，稳态条件下其折射率改变的大小与入射控制光的强度成正比。入 射控制光的光强的时空分布决定了工作介质温场的时空分布，进而通过热光效应决定工作 介质折射率改变量的时空分布。因此，当以一定频率调制的聚焦控制光入射到工作介质40 中时，工作介质40的折射率将随入射的控制光强度的时空变化而发生变化，该光致折射率 变化由于非线性响应弛豫效应和控制光的横向位相调制效应将相对于入射调制的控制光产生一定的位相延迟。在此需要进一步说明的是，信号光本身虽然不引起工作介质40的非 线性折射率改变，但是由于其和控制光同方向共轴传播，因此信号光将成正比地经历由控 制光引起的光致折射率改变和位相延迟，其比例系数由工作介质40的线性色散性质决定。 信号光的该位相延迟具有强烈的色散效应，并调控信号光脉冲的传播群速，产生超光速或 者慢光效应，从而实现对信号光脉冲时延的精确调控。 由于信号光的位相延迟的色散效应完全由控制光的非线性效应所决定，对信号光 没有非线性响应或者共振效应的要求，从而实现了对任意波长的信号光脉冲时延的主动式 光控光调控。信号光脉冲的时延大小和正负(其中正的时延是指信号光是在进行慢光传 输，负的时延是指信号光是在进行超光速传输)可通过调节控制光脉冲所引起的光学非线 性(比如调节工作介质与控制光脉冲和信号光脉冲聚焦点之间的相对空间位置)进行精确 调控。 具体实现上，第一，可在第一透镜10和第二透镜20的空间位置不动时(即不改变 聚焦控制光以及信号光的焦点位置)，通过第一平移台1改变工作介质40相对于聚焦信号 光的焦点的位置(即改变工作介质40中控制光和信号光的光强分布以控制信号光的横向 位相调制效应)就可以精确控制信号光的脉冲时延的正负和大小。第二，如果保持工作介 质40的空间位置不动，通过第二平移台2前后来回移动第二透镜20，可以改变聚焦控制光 的焦点与工作介质40的相对位置(即改变工作介质中聚焦控制光的光强及分布，从而改变 工作介质的光学非线性强度，工作介质的光学非线性强度即光致折射率变化的幅度)，也可 以精确调节信号光的脉冲时延的大小。 因此，如上所述，对于本发明，通过第一平移台1或者第二平移台2可以调节工作 介质相对于信号光或者控制光聚焦点的空间位置，或者调节控制光引起的非线性强度和正 负，都可以实现连续精确地调控信号光脉冲的延迟时间。 相比于现有技术的光延迟器，本发明提供的光延迟器解除了工作介质在信号光波 段具有非线性效应或者共振效应要求的束缚，从而可以实现对任意波段信号光波的时延进 行光控光调控的目的。 下面结合具体实例来说明本发明的技术方案。 在本实例中，参见图1、图2，分别选取785nm和532nm的固体激光器作为信号光和 控制光光源，采用对532nm控制光具有热光非线性效应而对785nm信号光无非线性效应或 者共振效应的BCB(苯并环丁烯)作为工作介质40，通过一个半透半反镜90分出一部分调 制信号光用作参考光，以便对比计算信号光波在通过图1所示的光延迟器之后所经历的时 间延迟，该参考光经过反射镜91反射给探测器500。信号光和控制光分别通过对应输入端 口 (即信号光输入端口 300和控制光输入端口 200)入射到图1、图2所示的光延迟器的外 壳体100内。在本实例中，采用两个用于接收参考光以及从本发明提供的光延迟器相应的 光输出端口 400出射的信号光，并一同输入到示波器600上进行分析。
具体实现上，本发明采用两个美国newfocus公司生产的Model 2031型光电探测 器500用于接收参考光以及从本发明提供的光延迟器相应的光输出端口 400出射的信号 光，并一同输入到泰克TDS3012B数字荧光示波器600上进行分析。 在本实例中，采用同一信号发生器控制的相同的电光调制器将控制光和信号光分 别调制成同步的10Hz正弦光波。在工作介质样品前表面处入射的控制光和信号光功率分别为17. lmW和0. 71mW，工作介质BCB的厚度为2. lmm，第一透镜10和第二透镜20的焦距 均为120mm。首先，使第一透镜10和第二透镜20与工作介质40之间等距离，并使工作介 质40位于信号光(或者控制光)的焦点附近。通过第一平移台l沿光轴方向调节工作介 质40的左右水平位置，可以得到如图3所示的785nm信号光的时延A t与介质相对于信号 光焦点位置的间距z2之间的依赖关系图，图3中的实心方块点代表785nm信号光的时延测 量结果。 图4给出的是当工作介质40位于信号光焦点后13. 6mm处时信号光波超光速传输 的波形图，其中，粗实线是通过工作介质后的785nm信号光波形，细点划线代表在空气中传 播的785nm参考光波形。参见图4a可以看到，无532nm控制光存在时信号光波无时延，粗 实线与细点划线重合；参见图4b，当加上控制光时，可以观察到，与参考光对比，调控后的 信号光存在明显的负时延(A t = -5. 4ms)。当固定工作介质40相对于785nm信号光的焦 点位置的间距时，通过第二平移台2调节控制光的焦点位置与工作介质40之间的相对间距 zp如图5所示，可以得到信号光波的时延At与工作介质相对于控制光焦点位置的间距^ 之间的映射关系图。 通过上述实例的测量结果表明，调节工作介质40与控制光或者信号光聚焦点之
间的相对空间位置就可以精确连续调控信号光波的时延大小和正负。 综上所述，本发明具有以下有益效果 首先，本发明可以对任意波长信号光波的时延进行光控光调控。本发明中信号光 脉冲产生正负时延所需的色散效应由控制光脉冲的非线性效应提供，对信号光本身无非线 性效应或者共振效应的要求，因此，可以实现任意波段信号光脉冲时延的精确光控光调控。
其次，工作介质强非线性效应的充分利用。本发明中工作介质的非线性效应选择 具有任意性，既可以是克尔非线性效应，也可以是热光非线性效应等。 一般来说，在很宽的 频率范围内具有强的非线性效应的材料是很难找到的，但是，人们比较容易实现在某一频 率处很强的非线性效应。本发明使得人们利用介质在单一频率处的很强的非线性效应有效 精确调控任意波长信号光脉冲的时延(群速)成为可能。 再次，信号光脉冲的时延连续精确可调。信号光脉冲的时延大小和正负可通过调 节控制光脉冲所引起的光学非线性进行精确调控，比如，通过调节介质与控制光脉冲和信 号光脉冲聚焦点之间的相对空间位置就可以精确连续调控信号光脉冲的时延大小和正负。
因此，与现有技术具有的光延迟器相比较，本发明提供的一种主动式光控可调谐 任意波长光延迟器，其可以对信号光脉冲时延的大小和正负进行精确的连续调控，而且消 除了工作介质在信号光波段必须具有非线性效应或者共振效应这些要求的束缚，实现对任 意波段的信号光脉冲的时间延迟进行调控，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践 意义。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器，其特征在于，包括有外壳体(100)，所述外壳体(100)的左端侧壁上从后往前依次开有控制光输入端口(200)和信号光输入端口(300)，所述外壳体(100)的右端侧壁上开有一个光输出端口(400)；所述外壳体(100)内从左到右水平放置有第一透镜(10)、半透半反镜(30)、工作介质(40)、带通滤波片(50)，所述第一透镜(10)位于所述信号光输入端口(300)的正右方，所述带通滤波片(50)位于所述光输出端口(400)的正左方；所述半透半反镜(30)的正后方水平设置有第二透镜(20)，所述第二透镜(20)的正后方设置有一个反射镜(80)，所述反射镜(80)位于所述控制光输入端口(200)的正右方；所述工作介质(40)为在控制光的波段具有光学非线性响应的介质。
2. 如权利要求l所述的光延迟器，其特征在于，所述半透半反镜(30)的正前方设置有 一个挡光板(70)。
3. 如权利要求l所述的光延迟器，其特征在于，所述带通滤波片(50)与所述光输出端 口 (400)之间设置有光阑(60)。
4. 如权利要求l所述的光延迟器，其特征在于，所述半透半反镜(30)和所述反射镜 (80)的顶部向左倾斜且与水平方向之间的夹角为锐角。
5. 如权利要求4所述的光延迟器，其特征在于，所述半透半反镜(30)和所述反射镜 (80)与水平方向之间的夹角均为45度。
6. 如权利要求4所述的光延迟器，其特征在于，所述反射镜(80)与半透半反镜(30)互 相平行。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的光延迟器，其特征在于，所述工作介质(40)位于 一个可左右水平移动的第一平移台(1)上，所述第二透镜(20)位于一个可前后来回移动的 第二平移台(2)上。
全文摘要
本发明公开了一种主动式光控可调谐任意波长光延迟器，包括有外壳体，所述外壳体的左端侧壁从后往前依次开有控制光输入端口和信号光输入端口，外壳体右端侧壁上开有一个光输出端口；所述外壳体内从左到右水平放置有第一透镜、半透半反镜、工作介质、带通滤波片，第一透镜位于所述信号光输入端口的正右方，所述带通滤波片位于光输出端口的正左方；所述半透半反镜的正后方水平设置有第二透镜，第二透镜的正后方设置有一个反射镜，该反射镜位于所述控制光输入端口的正右方；所述工作介质为在控制光的波段具有光学非线性响应的材料。本发明公开的光延迟器可对信号光脉冲时延的大小和正负进行精确连续调控，实现对任意波段的信号光脉冲的时延进行调控。
文档编号G02F1/35GK101776833SQ20101910202
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者张国权, 徐雷, 薄方, 许京军, 许宁宁, 高峰 申请人:南开大学