专利名称：基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及超短光脉冲整形器及其工作方法，特别是一种利用双阵列光纤布拉格光栅的相位控制及干涉效应在频域上对输入光脉冲实施逐行整形，控制每一谱线的幅度，实现任意偶函数波形的光脉冲整形器及其工作方法。
背景技术：
在过去的二十年里，由于超短光脉冲技术的发展及飞秒激光系统的广泛使用，而且许多应用还要求超快的光脉冲，任意形状的光脉冲，使得脉冲整形系统获得了很快的发展，并对超快激光光谱学、非线性光纤光学、高能物理等领域产生了重大的影响。任意波形光脉冲产生(O-AWG)技术在光纤通信领域有着许多的应用，如(I)产生超高重复频率的超短脉冲作为脉冲源，光时钟等；(2)对光通信中码形进行变换，产生适合于光通信的码形，提高通信性能；(3)在超高速通信系统的接收端对光信号进行整形，提高信号质量，改善误码率。 光脉冲整形方法可以分为直接时域整形和直接频域整形两类，对于超短光脉冲的整形，如果采用时域整形，要求有很高的采样率，因此一般采用频域整形，其中得到广泛运用和发展的频域整形方法是基于傅里叶变换的原理，通过在频域上改变滤波函数的各个频谱成分的幅度和相位，使得输出信号的频谱改变，从而得到想要的波形。过去的频谱整形，是对一组谱线而不是每条谱线进行操作，得到的时域波形占空比很低。由于光无源器件的发展，如光纤光栅，阵列波导光栅，衍射光栅等，可以方便地用于频谱的分离，使得独立操纵每条谱线的幅度和相位成为可能。传统的任意波形光脉冲产生系统，结构上使用液晶空间光调制器结合作为色散器件的衍射光栅，存在复杂的准直控制，体型笨重，较高的耦合损耗等缺点。阵列波导光栅的通道数多，可以同时对多个波长进行滤波，但高分辨率使得其所占的物理面积也增大，不易控制器件内部的统一性。而使用光纤光栅用于分离频谱的整形系统，具有体积小，低损耗，稳定性好，易于集成等一系列优点。1983年，由Froehly最先提出具有一对衍射光栅和棱镜以及固定掩模的4f零色散系统对皮秒脉冲进行整形，但由于空间掩模板无论是振幅还是相位调制都是二元的，不能适应输入脉冲的变化，属于静态的逐行整形，还不能产生真正意义上的任意波形光脉冲。1995年A. ff. Weiner等人提出利用液晶空间光调制器(LCSLM)对飞秒脉冲进行整形，克服了上述的缺点，实现了振幅和相位的连续调制，目前已经利用液晶空间光调制器和衍射光栅的结构对谱线间隔为5GHZ的108条谱线进行了整形，输出了形状复杂的波形；利用64通道的阵列波导光栅和集成的相位调制器和幅度调制器阵列对谱线间隔为IOGHz的15条谱线进行了整形，获得了频谱幅度为超高斯形而频谱相位为0的变换极限脉冲并实施不同的相位控制得到时域上脉宽和形状都改变的脉冲；利用128通道的阵列波导光栅对谱线间隔为40GHz的频谱整形，整形带宽可达到
5.ITHz。同时，人们在动态的脉冲整形方面做了一系列努力，动态的频谱整形要求整形器的频谱响应可以适应输入波形和目标波形的变化，要求谱线间隔和带宽同时可调。如2008年Yu Yeung(Kenny)Ho利用级联的光纤光栅及用来控制相位的光纤拉伸器,用来控制幅度的偏振控制器和偏振片，对少数几根谱线整形，获得了近似锯齿脉冲和矩形脉冲的波形。目前用于幅度整形的器件主要有(I)电光强度调制器，电光调制基于晶体的线性电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化。电光调制器是一种集成光学器件，最常用的结构是在LiNbO3晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德干涉型调制器。由于加在调制器上的电压大小与输出光强有严格的对应关系，因此通过适当选择加在调制器上的工作电压，能够使得当加在调制器上的是一个一定形状的电脉冲时，输出的是一个相应形状的光脉冲。(2)可调衰减器，目前的主要技术分为分立微光元件技术，MEMS技术，光波导技术。其中分立微光兀件技术主要利用了机械方法，磁光效应，热光效应，电光效应，声光效应等来改变光功率的大小。(3)偏振控制器与偏振片结合,利用偏振控制器将输入的任意偏振态转化成指定的偏振态输出，而不同的偏振态透过偏振片后的光强变化不同，将偏振片旋转一周，圆偏振光的透射光强不变，而椭圆偏振光的透射光强出现极大值-极小值极大值-极小值的连续变化，但没有消光现象，线偏振光的透射光强出现极大值-消光-极大值-消光的连续变化。由此可以将对偏振态的控制转化为强度控制。以上的强度调制方法结构较为复杂，用做频谱逐行控制，会增加系统的损耗和降低整形的质量，而连续的全光纤的整形系统可以在结构简单的基础上获得高质量的整形光脉冲。它可以利用光纤光栅的反射率调制光的强度。通过控制均匀或非均匀光纤布拉格光栅的反射率轮廓，如线性啁啾布拉格光纤光栅，取样光纤光栅，超结构光纤光栅等，来改变不同频率成分的光强，此时的光纤光栅既作为色散器件又作为整形器件，可以输出频谱强度受到调制的光脉冲。而复杂的光纤光栅的反射率轮廓需要精度更高的制作工艺，且制作出后的整形器不是动态的，不能随输入波形和目标波形动态变化，因此，我们提出了一种利用双阵列光纤布拉格光栅的相位控制及干涉效应的结构实现动态的光脉冲整形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器及其工作方法，它利用光纤拉伸器的相位调节及光纤光栅双阵列的干涉效应实现对每一谱线幅度的控制，实现偶函数波形光脉冲输出。本发明的技术方案一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器，其特征在于它由光学频率梳源、光隔离器和幅度控制器组成，光学频率梳源的输出端连接光隔离器的输入端，光隔离器的输出端连接幅度控制器的输入端，幅度控制器的输出端输出偶函数波形光脉冲；所说的幅度控制器由两个光纤布拉格光栅阵列和耦合器组成，耦合器的端口 A连接光隔离器的输出端，耦合器的端口 B和端口 C分别连接两个光纤布拉格光栅阵列，耦合器的端口 D即幅度控制器的输出端输出偶函数波形光脉冲；所说的光纤布拉格光栅阵列由至少两个光纤布拉格光栅和至少一个光纤拉伸器间隔排列构成。上述所说的两个光纤布拉格光栅阵列中相对应的光纤布拉格光栅的中心反射波长X n相同,每个光纤布拉格光栅阵列中相邻两个光纤布拉格光栅的中心反射波长入n之差相同。
上述所说的光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的中心反射波长Xn与光学频率梳源的对应光谱分量的波长相等，每个光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的数目与所选择的光学频率梳源中的谱线的条数相等。
一种上述基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法，其特征在于具体步骤如下(I)输入光学频率梳源发出光学频率梳，光学频率梳经过光隔离器从耦合器的端口 A输入； (2)幅度控制(2-1)分光由耦合器将输入的光学频率梳分成两路信号，分别从端口 B和端口 C输入到两个光纤布拉格光栅阵列中；(2-2)相位调节由两个光纤布拉格光栅阵列中的各个光纤布拉格光栅的反射特性选择与其中心反射波长Xn相等的谱线，同时分别调节两个光纤布拉格光栅阵列中的各个光纤拉伸器，实现对由光纤布拉格光栅阵列反射的两路信号各条谱线的相位调节，使得光纤布拉格光栅阵列对两路信号各条谱线产生的相移分别为氣和0 n，此时两路信号幅度谱的轮廓保持不变，与输入的光学频率梳相同。(2-3)干涉由光纤布拉格光栅阵列反射的两路信号在耦合器发生干涉，使得幅度控制器输出的各个谱线成分的幅度满足偶函数波形光脉冲的傅里叶系数的幅度|Fn|，同时使得幅度控制器输出的各个谱线成分的相位Pn为2 的整数倍。(3)输出根据傅里叶变换的原理，干涉后的信号时域上为偶函数波形光脉冲，从率禹合器的端口 D输出。上述所说的步骤(I)中的光学频率梳的波长间隔相同，各条谱线幅度相等或不等，相位关系固定，至少有两个波长成分，时域上为周期性光脉冲。上述所说的步骤(2-2)中的光纤布拉格光栅阵列对两路信号各条谱线产生的相移ft和9 n由偶函数波形光脉冲各条谱线的幅度|Fn|、耦合器的分光比a :l-a、光纤布拉格光栅的反射率R、输入的光学频率梳的各条谱线复振幅的幅度|Sn|及谱线复振幅的相位Vn共同决定
权利要求
1.一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器，其特征在于它由光学频率梳源、光隔离器和幅度控制器组成，光学频率梳源的输出端连接光隔离器的输入端，光隔离器的输出端连接幅度控制器的输入端，幅度控制器的输出端输出偶函数波形光脉冲；所说的幅度控制器由两个光纤布拉格光栅阵列和耦合器组成，耦合器的端口 A连接光隔离器的输出端，耦合器的端口 B和端口 C分别连接两个光纤布拉格光栅阵列，耦合器的端口 D即幅度控制器的输出端输出偶函数波形光脉冲；所说的光纤布拉格光栅阵列由至少两个光纤布拉格光栅和至少一个光纤拉伸器间隔排列构成。
2.根据权利要求I所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器，其特征在于所说的两个光纤布拉格光栅阵列中相对应的光纤布拉格光栅的中心反射波长、n相同，每个光纤布拉格光栅阵列中相邻两个光纤布拉格光栅的中心反射波长、n之差相同。
3.根据权利要求I所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器，其特征在于所说的光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的中心反射波长、n与光学频率梳源的对应光谱分量的波长相等，每个光纤布拉格光栅阵列中光纤布拉格光栅的数目与所选择的光学频率梳源中的谱线的条数相等。
4.一种权利要求I所述基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法，其特征在于具体步骤如下 (1)输入光学频率梳源发出光学频率梳，光学频率梳经过光隔离器从耦合器的端口A输入； (2)幅度控制 (2-1)分光由耦合器将输入的光学频率梳分成两路信号，分别从端口 B和端口 C输入到两个光纤布拉格光栅阵列中； (2-2)相位调节由两个光纤布拉格光栅阵列中的各个光纤布拉格光栅的反射特性选择与其中心反射波长Xn相等的谱线，同时分别调节两个光纤布拉格光栅阵列中的各个光纤拉伸器，实现对由光纤布拉格光栅阵列反射的两路信号各条谱线的相位调节，使得光纤布拉格光栅阵列对两路信号各条谱线产生的相移分别为魏和0 n，此时两路信号幅度谱的轮廓保持不变，与输入的光学频率梳相同。
(2-3)干涉由光纤布拉格光栅阵列反射的两路信号在耦合器发生干涉，使得幅度控制器输出的各个谱线成分的幅度满足偶函数波形光脉冲的傅里叶系数的幅度|Fn|，同时使得幅度控制器输出的各个谱线成分的相位Pn为2 的整数倍。
(3)输出根据傅里叶变换的原理，干涉后的信号时域上为偶函数波形光脉冲，从耦合器的端口 D输出。
5.根据权利要求4所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法,其特征在于所说的步骤(I)中的光学频率梳的波长间隔相同，各条谱线幅度相等或不等，相位关系固定，至少有两个波长成分，时域上为周期性光脉冲。
6.根据权利要求4所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法,其特征在于所说的步骤(2-2)中的光纤布拉格光栅阵列对两路信号各条谱线产生的相移和9n由偶函数波形光脉冲各条谱线的幅度|Fn|、耦合器的分光比a 1-a、光纤布拉格光栅的反射率R、输入的光学频率梳的各条谱线复振幅的幅度|Sn|及谱线复振幅的相位Vn共同决定
7.根据权利要求4所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法,其特征在于所说的步骤(2-3)中的幅度控制器输出的各个谱线成分的幅度|Fn|是由输入光学频率梳各条谱线的振幅I Sn|、初始相位Vn、稱合器的分光比a :l-a、光纤布拉格光栅的反射率R、两路信号各条谱线的相移# 和e n共同决定的，幅度控制器输出的各个谱线成分的相位Pn是由输入光学频率梳各条谱线的初始相位Vn及光纤布拉格光栅阵列对两路信号各条谱线产生的相移ft和Gn共同决定的，幅度控制器输出的各个谱线成分的相位等于2 31的整数倍，如下所示
8.根据权利要求4或6所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法，其特征在于所说的偶函数波形光脉冲为周期性高斯光脉冲、周期性三角光脉冲、周期性双边指数光脉冲、周期性全波余弦光脉冲、周期性半波余弦光脉冲、重复频率倍增的偶函数波形光脉冲或相邻脉冲幅度可独立控制的偶函数波形光脉冲。
9.根据权利要求4所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法,其特征在于所说的步骤(2-3)中的两路信号在耦合器中的干涉使得输出频谱的谱线间隔为输入光学频率梳的谱线间隔的两倍，则耦合器的端口 D输出重复频率倍增的偶函数波形光脉冲。
10.根据权利要求4所说的一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法，其特征在于所说的步骤(2-3)中的两路信号在耦合器中的干涉使得输出频谱中有两组间隔的谱线分别满足峰值不同的偶函数波形光脉冲的傅里叶系数的幅度，则耦合器的端口 D输出相邻脉冲幅度可独立控制的偶函数波形光脉冲。
全文摘要
一种基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器，由光学频率梳源、光隔离器和幅度控制器组成，光学频率梳源的输出端连接光隔离器的输入端，光隔离器的输出端连接幅度控制器的输入端，幅度控制器的输出端输出偶函数波形光脉冲；一种上述基于双阵列光纤光栅的光脉冲整形器的工作方法(1)输入，(2)幅度控制包括分光、相位调节、干涉，(3)输出。本发明的优越性１、只使用光纤拉伸器就可以连续精确地改变光谱幅度的大小，实现对光谱幅度的动态调节；2、结构简单，损耗小，易于与其它光器件耦合；3、能够输出偶函数波形的任意波形光脉冲；4、可以通过增加相邻光栅的波长间隔或增加光栅的数目来增加整形的带宽，使得本装置的带宽易升级。
文档编号G02B6/34GK102707437SQ20121018937
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者张爱玲, 李长秀 申请人:天津理工大学