基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器及其工作方法与流程

本发明涉及任意波形光脉冲整形器及其工作方法，特别是一种基于布拉格波导光栅在频域上对输入的光脉冲实施逐行整形。

背景技术：

近年来，超短脉冲产生的技术取得了很大的进步。但是，在很多应用中不仅要求脉冲超短，而且还要求特定的超短脉冲形状，于是就需要对超短脉冲进行整形。光脉冲整形方法可以分为直接时域整形和频域整形两类，因为时域整形，要求有很高的采样率，因此一般采用频域整形，它的整形原理是基于傅里叶变换的逐行整形，即控制频谱的幅度和相位来实现任意光脉冲的产生。任意波形光脉冲的产生(oawg)突破了电子瓶颈对速度的制约，受到了广泛的关注。

任意波形产生结构中，大部分是利用衍射光栅、阵列波导光栅光纤布拉格光栅或色散光纤分离不同波长的谱线，然后用空间光调制器、光电调制器、声光调制器独立地操纵每条谱线的幅度和相位，实现任意波形产生，但这些结构存在较高的耦合损耗；有些是用反射谱特殊设计的光纤光栅进行脉冲整形，体积小，损耗小，但这种结构中的光纤光栅一旦写制完成，其反射谱不能再改变，不能实现输出波形的动态控制。

技术实现要素：

本发明的目的是解决光任意波形产生结构中利用热光效应，弹光效应，声光效应的调制速度比较慢而且存在较高的耦合损耗的问题。提供一种基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器及其工作方法，它主要利用铌酸锂的电光效应进行幅度、相位和中心反射波长的控制，最后输出频谱幅度和相位都得到独立控制的任意波形光脉冲。

本发明提供的一种基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器，其特征在于它包括，光学频率梳，第一环形器，幅度控制器，第二环形器，相位控制器，光学频率梳连接第一环形器的端口(a),第一环形器的端口(b)连接幅度控制器,第一环形器的端口(c)连接第二环形器的端口(d)，第二环形器的端口(e)连接相位控制器，第二环形器的端口(f)输出目标光脉冲。

上述的幅度控制器由y形波导和两个布拉格波导光栅阵列构成；相位控制器由一个布拉格波导光栅阵列构成。

上述的布拉格波导光栅阵列由m段波导、m个布拉格波导光栅、m对光栅电极和m对波导电极构成，即在x切y传的铌酸锂波导上蚀刻m个布拉格波导光栅构成m段波导和m个布拉格波导光栅间隔排列的结构，在m段波导和m个布拉格波导光栅两侧分别沉积m对波导电极和m对光栅电极，电极间距与波导宽度一致，方向都是平行于铌酸锂晶体的z轴(linbo3晶体的光轴)。

上述结构中，幅度控制器中的两个布拉格波导光栅阵列与相位控制器中的布拉格波导光栅阵列中相对应的第n个布拉格波导光栅结构相同、相对应的第n个波导的长度相同，相对应的布拉格波导光栅结构相同，包括光栅周期、光栅长度及光栅的折射率分布均相同；其中1≤n≤m。

上述结构中，幅度控制器及相位控制器中的每个布拉格波导光栅阵列中的m个布拉格波导光栅的光栅周期不同，即中心反射波长不同；m段波导的长度相同或不同。

上述基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)连接好光路，打开电源，将光学频率梳从第一环形器的端口(a)输入；

(2)调节所有光栅电极两端的电压，使每个布拉格波导光栅阵列中的第n个布拉格波导光栅的中心反射波长λn与光学频率梳的第n个光谱分量相等，其中1≤n≤m；

(3)按照从左往右的顺序依次调节幅度控制器中波导电极两端的电压，使中心反射波长为λn，相位分别为θn的两路信号干涉后的幅度|fn|与目标光脉冲幅度谱中第n个谱线的幅度相等；

(4)同样按照从左往右的顺序依次调节相位控制器中波导电极两端的电压，使得中心反射波长为λn的谱线的相位φn与目标光脉冲相位谱中第n个谱线的相位相等；

(5)则从第二环形器的端口(f)输出的就是目标光脉冲。

上述所说的步骤(2)中光栅电极两端未加电压时，每个布拉格波导光栅阵列中的m个布拉格波导光栅的中心反射波长呈等差排列；而光栅电极两端的电压由波导的有效折射率neff1、光栅的周期λ、电极的宽度d、铌酸锂晶体的最大电光系数γ33和布拉格波导光栅的中心反射波长λn共同决定：

上述所说的步骤(3)和(4)中波导电极两端的电压由谱线的相位ψn、谱线的波长λn、波导的有效折射率neff1、铌酸锂晶体的最大电光系数γ33、波导电极的宽度d、波导的长度l共同决定：

其中ψn代表θn和φn。

上述所说的步骤(3)中，仅通过调节第一个布拉格波导光栅阵列中波导电极两端的电压就可实现目标光脉冲幅度的控制，结合相位控制器实现目标光脉冲。

上述所说的步骤(3)中，通过调节第一个和第二个布拉格波导光栅阵列中波导电极两端的电压就可实现目标光脉冲，即第一环行器的端口(c)输出的就是目标光脉冲。

本发明的工作原理：

首先调节所有光栅电极两端的电压，使每个布拉格波导光栅阵列中的第n(1≤n≤m)个布拉格波导光栅的中心反射波长λn与光学频率梳的第n个光谱分量相等。按照从左往右的顺序依次调节幅度控制器中波导电极两端的电压，使中心反射波长为λn，相位分别为θn的两路信号干涉后的幅度|fn|与目标光脉冲幅度谱中第n个谱线的幅度相等。同样按照从左往右的顺序依次调节相位控制器中波导电极两端的电压，使得中心反射波长为λn的谱线的相位φn与目标光脉冲相位谱中第n个谱线的相位相等。则从第二环形器的端口(f)输出的就是目标光脉冲。

本发明的优越性和有益效果为:

1、利用铌酸锂的电光效应，通过控制波导两端的电压可以实现对目标光脉冲幅度和相位的快速调谐；2、利用铌酸锂的电光效应，通过调节光栅两端的电压可改变光栅的中心反射波长，实现波长的可调谐性；3、在一块铌酸锂晶体上制作波导光栅阵列，减少了器件连接的损耗。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器的结构示意图。

图2为本发明实施例1所涉及的基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器中的光栅的中心反射波长与光栅电极两端的电压的关系。

图3为本发明实施例2所涉及的基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器中的光经波导的时延与光栅的中心反射波长的关系。

图4为本发明实施例3所涉及的基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器的工作效果示意图(其中图4-1为输入的光学频率梳的时域波形图，图4-2为输入的光学频率梳的幅度谱和相位谱，图4-3为幅度控制器中的两个布拉格波导光栅阵列和相位控制器中的布拉格波导光栅阵列反射的信号的相位以及三个阵列中波导电极两端的电压，图4-4为幅度控制器输出的幅度谱和相位谱，图4-5为输出的周期性矩形脉冲)。

具体实施方式

实施例中y形波导的分光比为0.5，三个布拉格波导光栅中布拉格波导光栅的反射率都为100％，三个布拉格波导光栅阵列中波导的有效折射率为neff＝2.139，光栅长度0.029m，调制深度datans＝0.0012，光栅电极的宽度d＝7e-6m，

实施例1：本实施例中，光栅电极上的电压为-100v～100v。未加电压时光栅的中心反射波长为1550nm，光栅周期为360nm。所涉及的基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器中的光栅的中心反射波长与光栅电极两端的电压的关系如图2所示。

实施例2：本实施例中，波导长度l＝0.0036m，波导电极两端的电压为10v。所涉及的基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器中的光经波导的时延与光栅的中心反射波长的关系如图3所示。

实施例3：一种基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器，其特征在于它包括，光学频率梳，第一环形器，幅度控制器，第二环形器，相位控制器。光学频率梳连接第一环形器的端口(a),第一环形器的端口(b)连接幅度控制器,第一环形器的端口(c)连接第二环形器的端口(d)，第二环形器的端口(e)连接相位控制器，第二环形器的端口(f)输出目标光脉冲；

上述的幅度控制器由y形波导和两个布拉格波导光栅阵列构成；相位控制器由一个布拉格波导光栅阵列构成。

上述的布拉格波导光栅阵列由41段波导、41个布拉格波导光栅、41对光栅电极和41对波导电极构成，即在x切y传的铌酸锂波导上蚀刻41个布拉格波导光栅构成41段波导和41个布拉格波导光栅间隔排列的结构，在41段波导和41个布拉格波导光栅两侧分别沉积41对波导电极和41对光栅电极，电极间距与波导宽度一致，方向都是平行于铌酸锂晶体的z轴(linbo3晶体的光轴)。

上述结构中，幅度控制器中的两个布拉格波导光栅阵列与相位控制器中的布拉格波导光栅阵列中相对应的第n(1≤n≤m)个布拉格波导光栅结构相同、相对应的第n(1≤n≤m)个波导的长度相同。相对应的布拉格波导光栅结构相同，包括光栅周期、光栅长度及光栅的折射率分布均相同。

上述结构中，幅度控制器及相位控制器中的每个布拉格波导光栅阵列中的41个布拉格波导光栅的光栅周期不同，即中心反射波长不同。41段波导的长度相同，长度l＝0.0036m。

上述基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)按图1所示结构连接好光路，打开电源，将光学频率梳从第一环形器的端口(a)输入；输入的光学频率梳的时域波形如图4-1所示，输入的光学频率梳的幅度谱和相位谱图4-2所示。

(2)调节所有光栅电极两端的电压，使每个布拉格波导光栅阵列中的第n(1≤n≤m)个布拉格波导光栅的中心反射波长λn与光学频率梳的第n个光谱分量相等，光学频率梳的间隔为0.1nm。

(3)按照从左往右的顺序依次调节幅度控制器中波导电极两端的电压，使中心反射波长为λn，相位分别为θn的两路信号干涉后的幅度|fn|与周期矩形光脉冲幅度谱中第n个谱线的幅度相等。幅度控制器中的两个布拉格波导光栅阵列和相位控制器中的布拉格波导光栅阵列反射的信号的相位以及三个阵列中波导电极两端的电压如图4-3所示。

(4)同样按照从左往右的顺序依次调节相位控制器中波导电极两端的电压，使得中心反射波长为λn的谱线的相位φn与周期矩形光脉冲相位谱中第n个谱线的相位相等。图4-4所示为幅度控制器输出的幅度谱和相位谱。

(5)则从第二环形器的端口(f)输出的就是周期矩形光脉冲，如图4-5所示。

上述所说的步骤(2)中光栅电极两端未加电压时，每个布拉格波导光栅阵列中的m个布拉格波导光栅的中心反射波长呈等差排列；而光栅电极两端的电压由波导的有效折射率neff1、光栅的周期λ、电极的宽度d、铌酸锂晶体的最大电光系数γ33和布拉格波导光栅的中心反射波长λn共同决定：

上述所说的步骤(3)和(4)中波导电极两端的电压由谱线的相位ψn(代表θn和φn)、谱线的波长λn、波导的有效折射率neff1、铌酸锂晶体的最大电光系数γ33、波导电极的宽度d、波导的长度l共同决定：

上述所说的步骤(3)中，仅通过调节第一个布拉格波导光栅阵列中波导电极两端的电压就可实现目标光脉冲幅度的控制，结合相位控制器实现目标光脉冲。

上述所说的步骤(3)中，通过调节第一个和第二个布拉格波导光栅阵列中波导电极两端的电压就可实现目标光脉冲，即第一环行器的端口(c)输出的就是目标光脉冲。

表1为实施例3基于布拉格波导光栅的光任意脉冲发生器的各个参数。其中n为傅里叶系数的阶数，λn为输入的光学频率梳的波长，vn为加在三个布拉格波导光栅阵列中波导光栅两端的电压，|sn|和ψn分别为输入的光学频率梳的幅度和相位，|fn1|为幅度控制器中第一个布拉格波导光栅阵列反射的信号的各谱线幅度值，|fn2|为幅度控制器中第二个布拉格波导光栅阵列反射的信号的各谱线幅度值，为幅度控制器中第一个布拉格波导光栅阵列反射的信号的各谱线相位值，v1n为幅度控制器中加在第一个布拉格波导光栅阵列中波导上的电压，θn为幅度控制器中第二个布拉格波导光栅阵列反射的信号的各谱线相位值，v2n为幅度控制器中加在第二个布拉格波导光栅阵列中波导上的电压，|fn|为幅度控制器输出的周期性矩形光脉冲的傅里叶系数的幅度谱，pn为从幅度控制器输出的信号的傅里叶系数的相位值，φn为周期矩形光脉冲的相位值，v3n为加在相位控制器中布拉格波导光栅中波导上的电压。