基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置及方法

专利名称：基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210560998.5

专利申请（专利权）人：中国地质大学(武汉)
权利人地址：湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号

专利发明（设计）人：吴志超,李静雯,黄田野,潘建行,徐朝玉

专利摘要：本发明涉及孤子测量领域，提供一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置及方法，包括：第一泵浦源、有源环形谐振腔、第二单模光纤、第二偏振控制器、线性光采样系统、线性谐振腔和第二泵浦源；第一泵浦源与有源环形谐振腔的进口连接；有源环形谐振腔的出口与第二单模光纤连接；第二单模光纤与第二偏振控制器连接；第二偏振控制器与线性光采样系统的第一进口连接；线性光采样系统的第二进口与线性谐振腔的出口连接；线性谐振腔的进口与第二泵浦源连接。本发明采用全光纤结构，光束质量高，稳定性好，便于调节，维护方便，对电子器件的带宽要求不高。

主权利要求：
1.一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置，其特征在于，包括：
第一泵浦源(1)、有源环形谐振腔、第二单模光纤(15)、第二偏振控制器(16)、线性光采样系统、线性谐振腔和第二泵浦源(8)；
第一泵浦源(1)与有源环形谐振腔的进口连接；
有源环形谐振腔的出口与第二单模光纤(15)连接；
第二单模光纤(15)与第二偏振控制器(16)连接；
第二偏振控制器(16)与线性光采样系统的第一进口连接；
线性光采样系统的第二进口与线性谐振腔的出口连接；
线性谐振腔的进口与第二泵浦源(8)连接；
所述有源环形谐振腔包括：第一混合器(2)、可调谐光时延线(3)、可饱和吸收体(4)、第一单模光纤(5)、第一偏振控制器(6)和第一掺铒光纤(7)；
第一混合器(2)的2a进口与第一泵浦源(1)连接，第一混合器(2)的2d进口与可调谐光时延线(3)的出口连接，可调谐光时延线(3)的进口与可饱和吸收体(4)的出口连接，可饱和吸收体(4)的进口与第一单模光纤(5)的出口连接，第一单模光纤(5)的进口与第一偏振控制器(6)的一端连接，第一偏振控制器(6)的另一端与第一掺铒光纤(7)的出口连接，第一掺铒光纤(7)的进口与第一混合器(2)的2c出口连接；
第一混合器(2)的2b出口与第二单模光纤(15)的进口连接；
所述线性光采样系统包括：90°混频器(17)、第一平衡探测器(18)、第二平衡探测器(19)和数据处理PC端(20)；
第二偏振控制器(16)的出口与90°混频器(17)的17a进口连接，90°混频器(17)的18a出口和18b出口与第一平衡探测器(18)的进口连接，90°混频器(17)的19a出口和19b出口与第二平衡探测器(19)的进口连接，第一平衡探测器(18)的18c出口与数据处理PC端(20)的第一进口连接，第二平衡探测器(19)的19c出口与数据处理PC端(20)第二进口连接；
所述线性谐振腔包括：光耦合器(9)、半导体可饱和吸收镜(10)、第二掺铒光纤(11)、涂膜斜/平口连接器(12)、第二混合器(13)和第三掺铒光纤(14)；
第二泵浦源(8)与光耦合器(9)的9a进口连接，光耦合器(9)的9b出口与半导体可饱和吸收镜(10)的进口连接，半导体可饱和吸收镜(10)的出口与第二掺铒光纤(11)的进口连接，第二掺铒光纤(11)的出口与涂膜斜/平口连接器(12)的进口连接，涂膜斜/平口连接器(12)的出口与第二混合器(13)的13b进口连接，第二混合器(13)的13a进口与光耦合器(9)的9c出口连接，第二混合器(13)的13c出口与第三掺铒光纤(14)进口连接，第三掺铒光纤(14)的出口与90°混频器(17)的进口17b连接。
2.根据权利要求1所述的基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置，其特征在于，所述第一泵浦源(1)用于产生光能量，光能量由第一混合器(2)的2c出口射出，在有源环形谐振腔内逆时针运动，光能量经反复振荡后生成待测孤子脉冲，待测孤子脉冲由第一混合器(2)的2d进口射入第一混合器(2)中，再通过第一混合器(2)的2b出口将待测孤子脉冲射入第二单模光纤(15)中。
3.根据权利要求1所述的基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置，其特征在于，所述线性光采样系统接收来自有源环形谐振腔的待测孤子脉冲和线性谐振腔的脉冲采样源。
4.根据权利要求1所述的基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置，其特征在于，第二泵浦源(8)用于产生光能量，光能量由光耦合器(9)的9b出口射出，经过半导体可饱和吸收镜(10)、第二掺铒光纤(11)和涂膜斜/平口连接器(12)形成第一线性路线射入第二混合器(13)；
光能量由光耦合器(9)的9c出口射出，形成第二线性路线射入第二混合器(13)；
在第二混合器(13)中通过第二线性路线光能量将第一线性路线光能量放大，由第二混合器(13)的13c出口射出，经过第三掺铒光纤(14)再次放大后生成脉冲采样源，将脉冲采样源射入90°混频器(17)。
5.一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征方法，基于如权利要求1‑4任一项所述的基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置实现，其特征在于，包括：S1：启动第一泵浦源(1)和第二泵浦源(8)；
由第一泵浦源(1)产生光能量，光能量在有源环形谐振腔内逆时针运动，反复振荡后生成待测孤子脉冲，待测孤子脉冲经过第一混合器(2)输出，经过第二单模光纤(15)与第二偏振控制器(16)的传递后将待测孤子脉冲持续输入线性光采样系统；
由第二泵浦源(8)产生光能量，将光能量分别经过第一线性路线和第二线性路线输入第二混合器(13)，在第二混合器(13)中通过第二线性路线光能量将第一线性路线光能量放大，由第二混合器(13)的13c出口射出，经过第三掺铒光纤(14)再次放大后生成脉冲采样源，将脉冲采样源持续输入线性光采样系统；
S2：脉冲采样源和待测孤子脉冲在90°混频器(17)中发生相干混频，生成第一光信号和第二光信号，第一光信号通过第一平衡探测器(18)生成第一脉冲电信号，第二光信号通过第二平衡探测器(19)生成第二脉冲电信号，将第一脉冲电信号和第二脉冲电信号输入数据处理PC端(20)；
S3：数据处理PC端(20)对第一脉冲电信号进行数据还原，获得第一脉冲还原数据，数据处理PC端(20)对第二脉冲电信号进行数据还原，获得第二脉冲还原数据；将第一脉冲还原数据和第二脉冲还原数据进行叠加处理，获得待测孤子脉冲的全场信息，通过全场信息分析待测孤子脉冲的时域和频域情况。 说明书 : 基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及孤子测量领域，尤其涉及一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置及方法。背景技术[0002] 随着近代激光技术的发展，光脉冲被压缩的越来越窄，皮秒激光、飞秒激光的问世，使超短脉冲的测量成为难题，因为电子元件响应时间的限制，测量到ns级别的孤子脉冲已经很难得。于是有了自相关仪的出现，自相关仪利用超快激光自身与自身运算，实现超短脉冲的时域测量，但自相关仪只能测量时域且只能测得脉冲脉宽，丢失了孤子脉冲的时域形状。孤子脉冲的频域信息可以通过光谱仪获得，虽然光谱仪可以测得孤子脉冲的光谱，但由于其分辨率的限制，无法提取更多细节信息。[0003] 上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。发明内容[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置，包括：[0005] 第一泵浦源、有源环形谐振腔、第二单模光纤、第二偏振控制器、线性光采样系统、线性谐振腔和第二泵浦源；[0006] 第一泵浦源与有源环形谐振腔的进口连接；[0007] 有源环形谐振腔的出口与第二单模光纤连接；[0008] 第二单模光纤与第二偏振控制器连接；[0009] 第二偏振控制器与线性光采样系统的第一进口连接；[0010] 线性光采样系统的第二进口与线性谐振腔的出口连接；[0011] 线性谐振腔的进口与第二泵浦源连接。[0012] 优选的，所述有源环形谐振腔包括：第一混合器、可调谐光时延线、可饱和吸收体、第一单模光纤、第一偏振控制器和第一掺铒光纤；[0013] 第一混合器的2a进口与第一泵浦源连接，第一混合器的2d进口与可调谐光时延线的出口连接，可调谐光时延线的进口与可饱和吸收体的出口连接，可饱和吸收体的进口与第一单模光纤的出口连接，第一单模光纤的进口与第一偏振控制器的一端连接，第一偏振控制器的另一端与第一掺铒光纤的出口连接，第一掺铒光纤的进口与第一混合器的2c出口连接；[0014] 第一混合器的2b出口与第二单模光纤的进口连接。[0015] 优选的，所述第一泵浦源用于产生光能量，光能量由第一混合器的2c出口射出，在有源环形谐振腔内逆时针运动，光能量经反复振荡后生成待测孤子脉冲，待测孤子脉冲由第一混合器的2d进口射入第一混合器中，再通过第一混合器的2b出口将待测孤子脉冲射入第二单模光纤中。[0016] 优选的，所述线性光采样系统包括：90°混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器和数据处理PC端；[0017] 第二偏振控制器的出口与90°混频器的17a进口连接，90°混频器的18a出口和18b出口与第一平衡探测器的进口连接，90°混频器的19a出口和19b出口与第二平衡探测器的进口连接，第一平衡探测器的18c出口与数据处理PC端的第一进口连接，第二平衡探测器的19c出口与数据处理PC端第二进口连接。[0018] 优选的，所述线性光采样系统接收来自有源环形谐振腔的待测孤子脉冲和线性谐振腔的脉冲采样源。[0019] 优选的，所述线性谐振腔包括：光耦合器、半导体可饱和吸收镜、第二掺铒光纤、涂膜斜/平口连接器、第二混合器和第三掺铒光纤；[0020] 第二泵浦源与光耦合器的9a进口连接，光耦合器的9b出口与半导体可饱和吸收镜的进口连接，半导体可饱和吸收镜的出口与第二掺铒光纤的进口连接，第二掺铒光纤的出口与涂膜斜/平口连接器的进口连接，涂膜斜/平口连接器的出口与第二混合器的13b进口连接，第二混合器的13a进口与光耦合器的9c出口连接，第二混合器的13c出口与第三掺铒光纤进口连接，第三掺铒光纤的出口与90°混频器的进口17b连接。[0021] 优选的，第二泵浦源用于产生光能量，光能量由光耦合器的9b出口射出，经过半导体可饱和吸收镜、第二掺铒光纤和涂膜斜/平口连接器形成第一线性路线射入第二混合器；[0022] 光能量由光耦合器的9c出口射出，形成第二线性路线射入第二混合器；[0023] 在第二混合器中通过第二线性路线光能量将第一线性路线光能量放大，由第二混合器的13c出口射出，经过第三掺铒光纤再次放大后生成脉冲采样源，将脉冲采样源射入90°混频器。[0024] 一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征方法，基于上述的基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置实现，包括：[0025] S1：启动第一泵浦源和第二泵浦源；[0026] 由第一泵浦源产生光能量，光能量在有源环形谐振腔内逆时针运动，反复振荡后生成待测孤子脉冲，待测孤子脉冲经过第一混合器输出，经过第二单模光纤与第二偏振控制器的传递后将待测孤子脉冲持续输入线性光采样系统；[0027] 由第二泵浦源产生光能量，将光能量分别经过第一线性路线和第二线性路线输入第二混合器，在第二混合器中通过第二线性路线光能量将第一线性路线光能量放大，由第二混合器的13c出口射出，经过第三掺铒光纤再次放大后生成脉冲采样源，将脉冲采样源持续输入线性光采样系统；[0028] S2：脉冲采样源和待测孤子脉冲在90°混频器中发生相干混频，生成第一光信号和第二光信号，第一光信号通过第一平衡探测器生成第一脉冲电信号，第二光信号通过第二平衡探测器生成第二脉冲电信号，将第一脉冲电信号和第二脉冲电信号输入数据处理PC端；[0029] S3：数据处理PC端对第一脉冲电信号进行数据还原，获得第一脉冲还原数据，数据处理PC端对第二脉冲电信号进行数据还原，获得第二脉冲还原数据；将第一脉冲还原数据和第二脉冲还原数据进行叠加处理，获得待测孤子脉冲的全场信息，通过全场信息分析待测孤子脉冲的时域和频域情况。[0030] 本发明具有以下有益效果：[0031] 1、本装置采用全光纤结构，光束质量高，稳定性好，便于调节，维护方便；[0032] 2、本发明通过本振光脉冲采样源的引入，在光域对待测孤子脉冲采样，对电子器件的带宽要求不高；[0033] 3、本发明通过线性光采样系统的引入，实现了孤子脉冲时频域测量，获得待测孤子脉冲的全场信息。附图说明[0034] 图1为本发明装置结构图；[0035] 图2为待测孤子脉冲的光谱图；[0036] 图3为线性光采样系统测量的孤子脉冲光谱图；[0037] 图4为待测孤子脉冲与测得的孤子脉冲的光谱对比图；[0038] 图5为经线性光采样系统恢复的孤子脉冲的时域波形图；[0039] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式[0040] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0041] 参照图1，本发明提供一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置，是为了克服高速电子器件所面临“电子瓶颈”问题所提出的一种新型测量装置，线性光采样的本质就是结合欠采样思想与相干接收技术；[0042] 包括：[0043] 第一泵浦源1、有源环形谐振腔、第二单模光纤15、第二偏振控制器16、线性光采样系统、线性谐振腔和第二泵浦源8；[0044] 第一泵浦源1与有源环形谐振腔的进口连接；[0045] 有源环形谐振腔的出口与第二单模光纤15连接；[0046] 第二单模光纤15与第二偏振控制器16连接；[0047] 第二偏振控制器16与线性光采样系统的第一进口连接；[0048] 线性光采样系统的第二进口与线性谐振腔的出口连接；[0049] 线性谐振腔的进口与第二泵浦源8连接。[0050] 进一步的，所述有源环形谐振腔包括：第一混合器2、可调谐光时延线3、可饱和吸收体4、第一单模光纤5、第一偏振控制器6和第一掺铒光纤7；[0051] 第一混合器2的2a进口与第一泵浦源1连接，第一混合器2的2d进口与可调谐光时延线3的出口连接，可调谐光时延线3的进口与可饱和吸收体4的出口连接，可饱和吸收体4的进口与第一单模光纤5的出口连接，第一单模光纤5的进口与第一偏振控制器6的一端连接，第一偏振控制器6的另一端与第一掺铒光纤7的出口连接，第一掺铒光纤7的进口与第一混合器2的2c出口连接；[0052] 第一混合器2的2b出口与第二单模光纤15的进口连接。[0053] 具体的，第一混合器2由分光比90：10光耦合器、光隔离器与1550nm/980nm波分复用器组成，腔内10％光能量由所述第一混合器2的2b出口输出形成待测孤子脉冲；[0054] 可调谐光时延线3可调范围300ps，时间分辨率0.05ps，用于调节重复频率，实现输出脉冲重复频率在19.47至19.60MHz范围内以调谐分辨率19Hz可调；[0055] 可饱和吸收体4材料为碳纳米管，通过光驱动端面沉积法制备，具有偏振不敏感特性且损伤阈值高；[0056] 第一偏振控制器6用于调节光的偏振态实现锁模，达到稳定输出；[0057] 第一掺铒光纤7实现波长1550nm范围的光功率放大。[0058] 进一步的，所述第一泵浦源1用于产生光能量，光能量由第一混合器2的2c出口射出，在有源环形谐振腔内逆时针运动，光能量经反复振荡后生成待测孤子脉冲，待测孤子脉冲由第一混合器2的2d进口射入第一混合器2中，再通过第一混合器2的2b出口将待测孤子脉冲射入第二单模光纤15中。[0059] 进一步的，所述线性光采样系统包括：90°混频器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19和数据处理PC端20；[0060] 第二偏振控制器16的出口与90°混频器17的17a进口连接，90°混频器17的18a出口和18b出口与第一平衡探测器18的进口连接，90°混频器17的19a出口和19b出口与第二平衡探测器19的进口连接，第一平衡探测器18的18c出口与数据处理PC端20的第一进口连接，第二平衡探测器19的19c出口与数据处理PC端20第二进口连接。[0061] 具体的，第二偏振控制器16用于调整待测孤子脉冲偏振态，满足输入线性光采样系统的待测孤子脉冲的光强度最大，保证采样效果；[0062] 90°混频器17用于实现待测孤子脉冲与脉冲采样源的相干混频；实现待测孤子脉冲信号信息的提取；[0063] 第一平衡探测器18和第二平衡探测器19用于接收混频器输出，实现光信号向电信号的转换；[0064] 数据处理PC端20用于接收测量数据，恢复待测孤子脉冲的信息。[0065] 进一步的，所述线性光采样系统接收来自有源环形谐振腔的待测孤子脉冲和线性谐振腔的脉冲采样源。[0066] 进一步的，所述线性谐振腔包括：光耦合器9、半导体可饱和吸收镜10、第二掺铒光纤11、涂膜斜/平口连接器12、第二混合器13和第三掺铒光纤14；[0067] 第二泵浦源8与光耦合器9的9a进口连接，光耦合器9的9b出口与半导体可饱和吸收镜10的进口连接，半导体可饱和吸收镜10的出口与第二掺铒光纤11的进口连接，第二掺铒光纤11的出口与涂膜斜/平口连接器12的进口连接，涂膜斜/平口连接器12的出口与第二混合器13的13b进口连接，第二混合器13的13a进口与光耦合器9的9c出口连接，第二混合器13的13c出口与第三掺铒光纤14进口连接，第三掺铒光纤14的出口与90°混频器17的进口17b连接。[0068] 具体的，光耦合器9在实验时分光比为40：60；其中40％从光耦合器9的9c端口输出，60％从光耦合器9的9b端口输出；[0069] 半导体可饱和吸收镜10实现腔内锁模；[0070] 第二掺铒光纤11和第三掺铒光纤14为保偏掺铒光纤，用于维持光的偏振态；[0071] 半导体可饱和吸收镜10、第二掺铒光纤11和涂膜斜/平口连接器12三者构成线性谐振腔；[0072] 涂膜斜/平口连接器12用于连接第二掺铒光纤11与第二混合器13，且所述涂膜斜/平口连接器12实现20％线性谐振腔内光能量由13c端口输出；[0073] 第二混合器13由光隔离器、波分复用器、光耦合器组成；[0074] 进一步的，第二泵浦源8用于产生光能量，光能量由光耦合器9的9b出口射出，经过半导体可饱和吸收镜10、第二掺铒光纤11和涂膜斜/平口连接器12形成第一线性路线射入第二混合器13；[0075] 光能量由光耦合器9的9c出口射出，形成第二线性路线射入第二混合器13；[0076] 在第二混合器13中通过第二线性路线光能量将第一线性路线光能量放大，由第二混合器13的13c出口射出，经过第三掺铒光纤14再次放大后生成脉冲采样源，将脉冲采样源射入90°混频器17。[0077] 具体的，第二混合器13接收到13a端口输入的40％第一线性路线光能量，以及13b端口输入的20％第二线性路线光能量，通过第二混合器13的13c端口输出为线性光采样系统提供脉冲采样源，脉冲采样源为本振光源。[0078] 本发明提供一种基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征方法，基于上述基于线性光采样的孤子脉冲测量与表征装置实现，包括：[0079] S1：启动第一泵浦源1和第二泵浦源8；[0080] 由第一泵浦源1产生光能量，光能量在有源环形谐振腔内逆时针运动，反复振荡后生成待测孤子脉冲，待测孤子脉冲经过第一混合器2输出，经过第二单模光纤15与第二偏振控制器16的传递后将待测孤子脉冲持续输入线性光采样系统；[0081] 由第二泵浦源8产生光能量，将光能量分别经过第一线性路线和第二线性路线输入第二混合器13，在第二混合器13中通过第二线性路线光能量将第一线性路线光能量放大，由第二混合器13的13c出口射出，经过第三掺铒光纤14再次放大后生成脉冲采样源，将脉冲采样源持续输入线性光采样系统；[0082] S2：脉冲采样源和待测孤子脉冲在90°混频器17中发生相干混频，生成第一光信号和第二光信号，第一光信号通过第一平衡探测器18生成第一脉冲电信号，第二光信号通过第二平衡探测器19生成第二脉冲电信号，将第一脉冲电信号和第二脉冲电信号输入数据处理PC端20；[0083] S3：数据处理PC端20对第一脉冲电信号进行数据还原，获得第一脉冲还原数据，数据处理PC端20对第二脉冲电信号进行数据还原，获得第二脉冲还原数据；将第一脉冲还原数据和第二脉冲还原数据进行叠加处理，获得待测孤子脉冲的全场信息，通过全场信息分析待测孤子脉冲的时域和频域情况。[0084] 具体的，对脉冲电信号进行数据还原的具体过程为：[0085] 在数据处理PC端20中通过对于数据峰值点提取算法对脉冲电信号的每个峰值点位置以及峰值点大小进行提取，获取峰值点信息；将峰值点信息利用频偏估计、相位补偿等方法实现对原本待测孤子脉冲的信息恢复，以此获得第一脉冲还原数据和第二脉冲还原数据；[0086] 通过上述方法，最终获得的待测孤子脉冲的时域和频域情况如图2‑5所示，图2为待测孤子脉冲的光谱图，图3为线性光采样系统测量的孤子脉冲光谱图；图4为待测孤子脉冲与测得的孤子脉冲的光谱对比图；图5为经线性光采样系统恢复的孤子脉冲的时域波形图。[0087] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。[0088] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。[0089] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

专利地区：湖北

专利申请日期：2022-05-23

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN115021055B