一种光纤孤子调制系统

本发明涉及非线性光纤光学，尤其是涉及一种光纤孤子调制系统。

背景技术：

1、锁模光纤激光器通过在谐振腔内调制反复循环的光脉冲实现高效激光输出。这些光脉冲在腔内受到多种因素的影响，包括：色散、损耗、增益、非线性、饱和吸收等。在被动锁模光纤激光器中，由于激光工作在正常或反常色散区域，再加上光纤谐振腔内元件的不同，导致腔内的参数分布各不相同。激光器能够产生不同种类的光孤子，比如：传统孤子、耗散孤子、暗孤子、色散管理孤子等。

2、近几十年来，锁模光纤激光器在产生超短脉冲方面取得了显著进展，使其在光纤通信、光纤传感、医疗、军事、科研等领域被广泛应用。然而，锁模光纤激光器是通过腔内参数调制的方式来获得超短激光脉冲。受限于腔内参数的调节范围，有些比较复杂的光纤孤子(比如：高阶光纤矢量孤子)难以直接通过搭建光纤激光振荡器或放大器来获取。为了解决这一问题，一项新技术的出现是非常必要的。这种技术需要有更高的灵活性和广泛的调制范围，可以有效地优化现有系统的性能，缓解由于设计参数调整所带来的复杂性，从而提高脉冲质量和稳定性。通过采用这种方法，激光器可以在更宽广的操作条件下运行，推动超短脉冲技术的进一步发展。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的等缺陷而提供一种光纤孤子调制系统，通过控制腔外参数(比如：振幅比、时间延迟、投影角度、相位差、脉冲啁啾)，灵活地改变光纤孤子的状态。经过偏振分束后，被调制的正交分量在时域和频域中表现出独特的性质。这极大地拓展了当前对光纤孤子的调制范围。

2、本发明提供一种光纤孤子调制系统，包括：光源模块、调制模块和检测模块；所述光源模块用于产生初始光孤子信号；所述光源模块包括锁模光纤激光器，锁模光纤激光器用于产生初始光孤子源；

3、所述调制模块与所述光源模块连接，用于接收并调制初始光孤子信号；在调制过程中，通过改变不同种类的孤子参数，来改变光孤子在正交偏振方向上的脉冲波形和光谱；

4、所述检测模块与所述调制模块连接，用于检测被调制后的光孤子在正交偏振方向上的时域和频域特性，从而实现数据观测和研究。该系统利用多种光学元件组合来实现对光孤子信号的精确控制，并通过实时检测机制确保信号调制的最优性，从而显著提高数据传输的效率和质量。

5、进一步的，所述调制模块包括依次连接的：光纤隔离器、第一光纤准直器、第一λ/4波片、λ/2波片、第二λ/4波片、第二光纤准直器、第一光纤偏振分束器、第一个三端口环形器、第一电场幅度调制器、第一光纤时延线、第二个三端口环形器、第二电场幅度调制器、第二光纤时延线、第二光纤偏振分束器、偏振控制器、第三光纤准直器、固体偏振分束镜、第一检测器、第二检测器，所述第一个三端口环形器设有第一啁啾光纤布拉格光栅，所述第二个三端口环形器设有第二啁啾光纤布拉格光栅；或者第一个三端口环形器和第一啁啾光纤布拉格光栅、第二个三端口环形器和第二啁啾光纤布拉格光栅由色散补偿光纤替代。

6、具体的，所述锁模光纤激光器的光纤输出端口连接至光纤隔离器的光纤输入端口。所述光纤隔离器的光纤输出端口通过第一光纤准直器连接至由λ/4波片、λ/2波片、λ/4波片组合的波片组合。接着通过第二光纤准直器连接至第一光纤偏振分束器的光纤的输入端口。所述第一光纤偏振分束器的第一输出端口连接至第一个三端口环形器的第一端口。所述第一个三端口环形器的第二端口连接至第一啁啾光纤布拉格光栅。所述第一个三端口环形器的第三端口通过第一电场幅度调制器连接至第一光纤时延线的输入端口。所述第一光纤时延线的输出端口连接至第二光纤偏振分束器的第一输入端口。所述第一光纤偏振分束器的第二输出端口连接至第二个三端口环形器的第二端口。所述第二个三端口环形器的第二端口连接至第二啁啾光纤布拉格光栅。所述第二个三端口环形器的第三端口通过第二电场幅度调制器连接至第二光纤时延线的输入端口。所述第二光纤时延线的输出端口连接至第二光纤偏振分束器的第二输入端口。所述第二光纤偏振分束器的输出端口通过偏振控制器连接至第三光纤准直器。所述固体偏振分束镜的第一输出端口连接至第一检测器的输入端口。所述固体偏振分束镜的第二输出端口连接至第二检测器的输入端口。

7、进一步的，所述锁模光纤激光器为掺镱锁模光纤激光器、掺铒锁模光纤激光器、掺铥锁模光纤激光器中的一种。所述被动锁模光纤激光器是掺铒锁模光纤激光器或掺铥锁模光纤激光器时，系统中的三端口环形器和啁啾光纤布拉格光栅将由色散补偿光纤替代，并且此时其它光学元件也需要替换为对应波段的元件。

8、进一步的，当所述锁模光纤激光器为掺镱锁模光纤激光器时，所述系统包括依次连接的：掺镱锁模光纤激光器、1064nm光纤隔离器、第一1064nm光纤准直器、第一λ/4波片、λ/2波片、第二λ/4波片、第二1064nm光纤准直器、第一1064nm光纤偏振分束器、第一1064nm三端口环形器、第一1064nm电场幅度调制器、第一1064nm光纤时延线、第二1064nm三端口环形器、第二1064nm电场幅度调制器、第二1064nm光纤时延线、第二1064nm光纤偏振分束器、偏振控制器、第三1064nm光纤准直器、1064nm固体偏振分束镜、第一检测器、第二检测器，所述第一1064nm三端口环形器、第二1064nm三端口环形器分别设置有啁啾光纤布拉格光栅。

9、啁啾光纤布拉格光栅在1064nm波段提供反常群速度色散，可以独立地改变光纤孤子调制系统中两个支路光纤激光脉冲所经历的群速度色散，从而在输出端的正交偏振方向上获取不同特性的光纤孤子。1064nm光纤时延线的调节范围为百皮秒以上，可以调节单一偏振分量的时间延迟，使得耦合之后的脉冲展现出不同的偏振态特性。如果锁模光纤激光器工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤时延线。三端口环形器支持光信号的单向传输。如果锁模光纤激光器工作在其它波段，则需要替换对应波段的三端口环形器。所述1064nm光纤偏振分束器的尾纤为hi1060光纤和pm1060光纤，可以分解或耦合1064nm波段脉冲激光的正交偏振分量。如果锁模光纤激光器工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤偏振分束器。

10、所述光纤孤子调制系统中，掺镱锁模光纤激光器用来产生1064nm波段的光孤子信号。光纤隔离器用来对光的方向进行限制，使光信号只能沿着单一方向传输。通过光纤回波反射的光能够被光纤隔离器很好地隔离，提高光波传输效率，并且有效避免反射光信号对光源的损伤。光纤时延线可以调节系统内的时间延迟，使得两个支路的光孤子处于时域同步或非同步状态。偏振控制器的作用是改变系统中的线性双折射。两个光纤偏振分束器的作用是分解或耦合光信号的正交偏振分量。该光纤孤子调制系统的各个元件通过标准单模光纤以及保偏光纤相连接。

11、进一步的，当所述锁模光纤激光器为掺铒锁模光纤激光器时，所述系统包括依次连接的：掺铒锁模光纤激光器、1550nm光纤隔离器、第一1550nm光纤准直器、第一λ/4波片、λ/2波片、第二λ/4波片、第二1550nm光纤准直器、第一1550nm光纤偏振分束器、第一1550nm三端口环形器、第一1550nm电场幅度调制器、第一1550nm光纤时延线、第二1550nm三端口环形器、第二1550nm电场幅度调制器、第二1550nm光纤时延线、第二1550nm光纤偏振分束器、偏振控制器、第三1550nm光纤准直器、1550nm固体偏振分束镜、第一检测器、第二检测器，所述第一1550nm三端口环形器、第二1550nm三端口环形器分别设置有啁啾光纤布拉格光栅；由于系统工作在反常色散波段，第一个三端口环形器和第一啁啾光纤布拉格光栅、第二个三端口环形器和第二啁啾光纤布拉格光栅由1550nm色散补偿光纤替代。

12、进一步的，当所述锁模光纤激光器为掺铥锁模光纤激光器时，所述光纤孤子调制系统包括依次连接的：掺铥锁模光纤激光器、2000nm光纤隔离器、第一2000nm光纤准直器、第一λ/4波片、λ/2波片、第二λ/4波片、第二2000nm光纤准直器、第一2000nm光纤偏振分束器、第一2000nm三端口环形器、第一2000nm电场幅度调制器、第一2000nm光纤时延线、第二2000nm三端口环形器、第二2000nm电场幅度调制器、第二2000nm光纤时延线、第二2000nm光纤偏振分束器、偏振控制器、第三2000nm光纤准直器、2000nm固体偏振分束镜、第一检测器、第二检测器，所述第一2000nm三端口环形器、第二2000nm三端口环形器分别设置有啁啾光纤布拉格光栅；啁啾光纤布拉格光栅用来补偿系统内的正常群速度色散。并且啁啾的大小取决于系统内的净色散值需要被设置为多少。由于系统工作在反常色散波段，则第一个三端口环形器和第一啁啾光纤布拉格光栅、第二个三端口环形器和第二啁啾光纤布拉格光栅由2000nm色散补偿光纤替代。

13、进一步的，所述第一光纤偏振分束器与第二光纤偏振分束器之间的尾纤为保偏光纤，所述系统中的其它尾纤均为标准单模光纤。

14、进一步的，所述偏振控制器为三桨偏振控制器。通过旋转三个桨，可以有效改变系统内的线性双折射。

15、进一步的，所述标准单模光纤包括：smf-28、hi1060或sm1950；所述保偏光纤(12)包括：pm1550、pm1060或pm1950；

16、如果锁模光纤激光器采用掺镱锁模光纤激光器，则选用hi1060和pm1060的组合；如果锁模光纤激光器采用掺铒锁模光纤激光器，则选用smf-28和pm1550的组合；如果锁模光纤激光器采用掺铥锁模光纤激光器，则选用sm1950和pm1950的组合。

17、进一步的，所述检测模块包括：光电探测器、光功率计及光谱分析仪，用于探测调制后的孤子的正交分量。

18、本发明的工作原理如下：首先，从锁模光纤激光器发出的孤子经过光纤隔离器，通过光纤隔离器，再经过第一光纤准直器准直后射入波片的组合。λ/4波片、λ/2波片、λ/4波片的组合可以灵活地调节光孤子的偏振态。随后，光信号被第二光纤准直器接收后，经过第一光纤偏振分束器分束，分离出孤子的正交分量，正交分量分别经过第一个三端口环形器，第二个三端口环形器。所述第一个三端口环形器、第二个三端口环形器分别设置有第一啁啾光纤布拉格光栅、第二啁啾光纤布拉格光栅，可以用来调节系统中的群速度色散，而孤子的正交电场分别通过第一光纤幅度调制器和第一光纤时间延迟线以及第二光纤幅度调制器和第二光纤时间延迟线进行调制。之后，经调制的电场借助第二偏振分束器进行合束，并由偏振控制器进一步改变经调制的孤子的偏振态。最后，经调制的孤子的电场经第三光纤准直器准直，经准直的激光束经固体偏振分束镜分束。第一检测器，第二检测器分别检测被调制孤子在正交偏振方向上的脉冲波形和光谱。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、(1)本发明选用与锁模光纤激光器工作波段相匹配的光纤偏振分束器、光纤时延线等元件，能够有效调节激光脉冲，极大地拓展了当前孤子脉冲的调节范围。

21、(2)本发明采用掺镱锁模光纤激光器、掺铒锁模光纤激光器和掺铥锁模光纤激光器。并选用与工作波段相匹配的光纤偏振分束器、光纤时延线等元件，能有效获取1.06μm、1.55μm、2μm脉冲光纤激光。并且，锁模光纤激光器也可以工作在其它波段(比如：可见光波段)，但是需要替换对应波段的元件。

22、(3)本发明中，光纤孤子调制系统中的光纤时延线，可以改变脉冲单一偏振分量的时延。通过该时延线的调节，可以连续调节脉冲的偏振态。

23、(4)本发明中，光纤孤子调制系统中的两个啁啾光纤布拉格光栅。可以独立地改变两个支路激光脉冲所经历的群速度色散，为输出端观察到不同状态的脉冲提供有利条件。

24、(5)本发明克服当前对于孤子频域和时域特性研究的局限性。