CN102176104B - 可调谐时域双光脉冲发生方法与发生器 - Google Patents
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Abstract
可调谐时域双光脉冲发生器，激光光源，光放大器，聚光镜，孔硅直波导4，光纤透镜5，采用以孔硅波导为核心元件的时域双光脉冲发生装置。由上述器件组成并依次连接，光纤透镜输出亚纳秒或纳秒时间持续脉冲的激光光源。采用高强度的亚纳秒或纳米级以上时间持续的脉冲是高斯脉冲或其它具有一定上升时间和下降时间的光脉冲作为初始激光光源入射到孔硅波导时，控制孔硅波导的长度和初始入射脉冲的宽度时得到时域特征十分相似的双光脉冲输出。
Description
技术领域
本发明是一种采用具有微纳尺度的孔硅直波导为核心激活介质来实现时域双光脉冲输出的方法及光学装置，所获得的时域双光脉冲主要应用在光纤传感领域。
背景技术
光脉冲发生器得到人们的广泛开发，但时域双光脉冲的产生技术确较为鲜见。目前，人们已有应用Q开关技术来实现时域双光脉冲的输出，但采用此方案所获得的时域双光脉冲的时间持续长达微秒量级，输出两光脉冲的时间间隔较大并不能灵活操控，并且获得的两光脉冲具有明显不同的峰值功率和脉冲宽度等时域特征。
发明内容
本发明的目的是提出一种可调谐时域双光脉冲发生方法与发生器，尤其是采用以孔硅波导为核心元件的可调谐时域双光脉冲发生方法与发明器，当操作波长位于常规通信波长1550nm附近时，获得在时间域上具有相似光学特征的两光脉冲，而且产生的光脉冲在脉冲宽度和分离时间上实现可控性，使产生的脉冲宽度具有亚纳秒或纳秒量级的短时间持续，两脉冲的时间间隔也可通过初始脉冲宽度和强度的变化来实现在皮秒和纳秒范围内灵活操作。
本发明的技术解决方案是：可调谐时域双光脉冲发生器，激光光源1，光放大器2，聚光镜（非球面透镜）3，孔硅直波导4，光纤透镜5，耦合器（50:50 Y耦合器）6，光谱分析仪。采用以孔硅波导为核心元件的时域双光脉冲发生装置，由上述器件组成并依次连接，能产生具有亚纳秒或纳秒时间持续脉冲的激光光源1，光谱分析仪7，从耦合器（50:50 Y耦合器）的输出端输出双光脉冲用于脉冲时域响应测量8。
本发明采用以孔硅波导为核心元件的可调谐时域双光脉冲发生方法，主要应用孔硅介质为核心光学元件，当一个高强度的亚纳秒或纳秒量级以上时间持续的脉冲是高斯脉冲和其它具有一定上升时间和下降时间的光脉冲作为初始脉冲源入射到孔硅波导时，控制孔硅波导的长度和初始入射脉冲的宽度时就会得到时域特征十分相似的双光脉冲输出，而且所获得的双光脉冲的宽度和两脉冲的分离时间可通过初始脉冲特征来灵活操控。
上述所得到的双光脉冲有望应用到基于布里渊散射的分布式光纤传感系统中来克服空间分辨率和多普勒频移之间的矛盾，并可用高精度和高空间分辨率来达到测量布里渊频移的目的，从而提高整个系统的灵敏度和检测范围。
本发明的工作原理可描述为：当中心波长在1550 nm附近的光脉冲从激光源输出后，经高增益的光放大器进行能量提高，然后通过非球面透镜耦合进核心元件孔硅波导，在孔硅波导中，具有高强度的光脉冲将与孔硅介质发生强烈的非线性互作用过程，相应的非线性作用可通过以下理论模型来定量描述：
在式（1）中，A表示脉冲的慢变振幅，z是脉冲在波导中的传输距离，α是波导的线性损耗系数，β 2是脉冲的群速度色散参量，T是以群速度移动的时间坐标，c是光在真空中的光速，ω是光波角频率，β TPA是双光子吸收系数，A eff是光场的有效截面积，Δn FCD和Δα FCA分别表示与自由载流子成正比的的等离子色散和自由载流子吸收，又可分别表示为：
k FCD表示自由载流子吸收系数，σ FCA表示自由载流子吸收截面，ΔN是由双光子吸收导致的自由载流子浓度，可按照以下方程来衡量：
式中τ c是自由载流子复合时间。
和普通的单晶硅相比，孔硅具有很强的自由载流子效应和较短的载流子复合时间，此光学特征也是本发明选用孔硅介质作为双光脉冲实现的核心元件的关键所在，即，当高强度的光脉冲入射进孔硅波导时，脉冲的前沿由于双光子吸收将产生大量的自由载流子，而大量的自由载流子将导致强烈的自由载流子吸收效应，从而将脉冲前沿后边的能量也被强烈吸收，但脉冲的后续能量除被自由载流子吸收外，也伴随着双光子吸收效应，又产生大量的自由载流子，将实现在脉冲的一定时间范围内出现脉冲能量被连续损耗的光学现象，直到脉冲后沿的到来，当脉冲后沿进入波导介质后，由于脉冲能量的逐渐降低，所发生的非线性双光子吸收和自由载流子吸收效应也逐渐减弱，由于自由载流子的复合时间较短，使脉冲能量在波导中也不能完全消耗，最后以脉冲形式从波导输出，因此，高强度脉冲在经孔硅介质后，脉冲中心部分能量几乎完全被消耗，只有脉冲前沿和后沿部分能量能通过波导介质，从而使输出光场在时域内具有两个脉冲形式的能量分布。在设计中，我们可以通过改变输入脉冲强度或改变孔硅波导的长度来实现控制输出脉冲幅度的目的，也可通过改变入射脉冲的宽度来实现操控输出双光脉冲分离时间的效果。但值得注意的是，（1）当入射的初始脉冲与自由载流子复合时间相当或更短时，所产生的双光脉冲中后面脉冲强度将明显低于前面脉冲强度，并有可能由于载流子吸收，后面脉冲能量完全消失，整个装置出现一个单脉冲输出；（2）采用的初始脉冲不能选用方波等没有上身时间和下降时间为零或上升时间和下降时间极短的陡峭脉冲，因为像方波这样的陡峭脉冲入射进孔硅波导后，只能出现一个脉冲输出，而脉冲后面的能量由于脉冲没有后沿的缓变化过程，也将被脉冲前部所导致的自由载流子完全吸收。因此，用本发明来实现双光脉冲产生，所输入的初始脉冲在时间持续上必须远远大于孔硅的自由载流子复合时间，而且输入脉冲必须具有足够的上升和下降时间（如高斯脉冲和双曲正割脉冲等）。从孔硅输出的双光脉冲被光纤透镜耦合进Y型耦合器，在光谱分析仪和脉冲响应时间测量仪进行动态检测。
本发明的有益效果是：本发明是利用孔硅介质为核心，并结合激光源发生器、放大器和耦合器等其它光学元件来实现时域双光脉冲输出的设计装置。应用本发明产生的双光脉冲具有很相似的光学特征，而且脉冲宽度和两脉冲分离时间可在亚纳秒、纳秒或更长的时间范围内通过改变输入脉冲的时间持续来进行随意控制，脉冲幅度也可通过改变孔硅波导长度和入射脉冲强度来任意改变。应用本发明产生的时域双光脉冲有利于提高时域反射的分布式光纤传感器的灵敏度等特征指标。
附图说明
图1. 本发明的光路原理图
图2. 本发明产生的时域双光脉冲波形。
具体实施方案
本发明主要采用：激光光源1，光放大器2，非球面透镜3，孔硅直波导4，光纤透镜5，50:50 Y耦合器6，光谱分析仪7，脉冲时域响应测量8，光路采用光纤连接。非球面透镜3采用外径为0.2mm、表面光洁度为20的聚光非球面透镜（也可以采用其它聚光镜）。所述孔硅直波导4采用电化学腐蚀的方法在单晶硅中形成大约70%的具有纳米尺度的孔穴，所形成的孔硅波导的横向截面控制在几十微米范围之内，波导长度也仅有几个毫米。孔硅直波导主要应用在光学调制和微光学传感等领域。
典型的激光光源是产生具有亚纳秒或纳秒时间持续脉冲的激光光源：采用典型的直接调制半导体激光放大器、光纤锁模激光器和Q开关激光器等都能产生波长在1550nm附近的具有纳秒量级的脉冲光（即激光光源），并且所产生的光脉冲具有较高的峰值功率。光放大器采用增益为30dB的半导体光放大器。可通过改变入射脉冲的时间持续和脉冲形状来达到控制输出双光脉冲的脉冲宽度和它们之间的时间分离长度。
光分析仪主要用来对输出脉冲的频谱特征（频谱宽度、啁啾和位相等）和时域特征（时域脉冲宽度、对称性和功率等）进行动态分析。光谱范围在1250nm-1650nm，光谱分辨带宽为0.05nm，动态范围>70dB，波长精确度为±0.05 nm。
根据上述实施例：本发明激光源输出具有亚纳秒或更长时间持续的并有一定上身时间和下降时间的光脉冲；所产生的光脉冲可通过光放大器进行脉冲能量再提高，也可通过级联的光放大器进行连续放大，即通过改变放大器的光学增益来达到我们所需要的光强度要求；被放大的光脉冲通过非球面光学透镜耦合进孔硅波导，在孔硅波导中，光脉冲与孔硅介质发生非线相互作用，通过调节孔硅介质的长度来实现满足要求的时域双光脉冲输出；产生的双光脉冲又通过透镜光纤和Y耦合器进入光谱分析仪和光脉冲时域响应仪进行动态检测。
所采用的孔硅波导的长度为2-5mm。所产生的时域双光脉冲波形如图2所示，实施例中硅波导的长度为3.5mm，双光脉冲波形的时间间隔：≥0.2ns。双光脉冲的宽度：≥0.5ns。
Claims (9)
1.可调谐时域双光脉冲发生器，其特征是包括初始激光光源，光放大器，聚光镜，孔硅波导（4），光纤透镜（5），上述器件依次连接，采用以孔硅波导为核心元件构成时域双光脉冲发生装置；光纤透镜输出亚纳秒或纳秒时间持续脉冲的激光光源，所输入的初始脉冲在时间持续上必须远远大于孔硅波导的自由载流子复合时间，而且输入脉冲必须具有足够的上升和下降时间的高斯脉冲或双曲正割脉冲。
2.根据权利要求1所述的可调谐时域双光脉冲发生器，其特征是光纤透镜连50:50Y耦合器，耦合器的输出端输出双光脉冲用于脉冲时域响应测量。
3.根据权利要求1或2所述的可调谐时域双光脉冲发生器，其特征是初始激光光源为具有纳秒量级的脉冲光，所形成的孔硅波导的长度为2-5mm，双光脉冲波形的时间间隔≥0.2ns；双光脉冲的宽度≥0.5ns。
4.可调谐时域双光脉冲发生方法，其特征是采用高强度的亚纳秒或纳秒级以上时间持续的脉冲是高斯脉冲或双曲正割脉冲作为初始激光光源入射到孔硅波导，控制孔硅波导的长度和初始入射脉冲的宽度得到时域特征相似的双光脉冲输出。
5.根据权利要求4所述的可调谐时域双光脉冲发生方法，其特征是所获得的双光脉冲的宽度和两脉冲的分离时间通过调节初始激光光源脉冲的宽度、上升时间和下降时间特征来控制。
6.根据权利要求5所述的可调谐时域双光脉冲发生方法，其特征是当中心波长在1550nm附近的具有一定上升和下降时间的光脉冲从初始激光光源输出后，经高增益的单个或级联光放大器进行能量提高，然后通过非球面透镜耦合进核心元件孔硅波导，在孔硅波导中，具有高强度的光脉冲将与孔硅介质发生强烈的非线性互作用过程，通过调节孔硅介质的长度来实现满足强度要求的时域双光脉冲输出。
7.根据权利要求4或6所述的可调谐时域双光脉冲发生方法，其特征是通过改变初始激光光源脉冲宽度、强度和脉冲形状以及孔硅波导的长度来实现所满足要求的时域双光脉冲产生。
8.根据权利要求4或5所述的可调谐时域双光脉冲发生方法，其特征是所得到的双光脉冲的高精度和高空间分辨率来达到测量布里渊频移的目的，从而提高整个测量布里渊频移系统的灵敏度和检测范围。
9.根据权利要求4或6所述的可调谐时域双光脉冲发生方法，其特征是所得到的双光脉冲应用到基于布里渊散射的分布式光纤传感系统中来克服空间分辨率和多普勒频移之间的矛盾。
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