基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生系统及方法与流程

1.本发明涉及光脉冲输出领域，尤其涉及一种基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生系统及方法。


背景技术：

2.矢量孤子是指具有多个孤子分量且各孤子分量耦合在一起以相同的群速度在介质中传播的孤子。单模光纤通常都具有弱的双折射,导致光纤中存在两个正交的偏振方向，使矢量孤子在单模光纤中产生成为可能。根据光纤双折射大小的不同,光纤中能产生各种类型的矢量孤子。在光纤激光器中也能获得了矢量孤子，由光纤激光器产生的矢量孤子通过投影可以获得高阶矢量孤子。
3.克尔谐振器/无源谐振腔中也能产生矢量孤子，克尔谐振器/无源谐振腔中时间腔孤子/矢量孤子的产生不仅取决于克尔非线性和色散之间的相互作用，还依赖于非线性参量增益和腔损耗之间的平衡。
4.目前为止，基于光纤激光器产生高阶矢量孤子的相关研究已有所报道，而基于无源谐振腔产生的高阶矢量孤子还未见报道。
5.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。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于，解决现有技术中，基于无源谐振腔无法产生高阶矢量孤子的技术问题。
7.为实现上述目的，本发明提供一种基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生系统，包括：连续波泵浦源、第一偏振控制器、第一偏振分束器、第一调制器、第一模式发生器、第二调制器、第二模式发生器、偏振合束器、耦合器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第二偏振分束器；
8.所述连续波泵浦源与所述第一偏振控制器的进口连接，所述第一偏振控制器的出口与所述第一偏振分束器的进口连接，所述第一偏振分束器的3a出口与所述第一调制器的第一进口连接，所述第一偏振分束器的3b出口与所述第二调制器的第一进口连接，所述第一模式发生器与所述第一调制器的第二进口连接，所述第二模式发生器与所述第二调制器的第二进口连接，所述第一调制器的出口与所述偏振合束器的8a进口连接，所述第二调制器的出口与所述偏振合束器的8b进口连接，所述偏振合束器的出口与所述耦合器的9b进口连接，所述耦合器的9a进口与所述第二偏振控制器的出口连接，所述耦合器的9c出口与所述第二偏振控制器的进口连接，所述耦合器的9d出口与所述第三偏振控制器的进口连接，所述第三偏振控制器的出口与所述第二偏振分束器的进口连接。
9.优选地，所述连续波泵浦源在仿真时采用单色光的连续波激光器，所述单色光的连续波激光器的功率为2w，波长为1550nm。
10.优选地，所述第一偏振分束器在仿真时的分光比为50：50。
11.优选地，所述第一模式发生器和所述第二模式发生器在仿真时均采用电脉冲发生器，所述电脉冲发生器的工作功率范围为20至100w，所述电脉冲发生器用于产生预设脉宽、强度和时延的高斯脉冲；
12.仿真时根据需求，所述第一模式发生器和所述第二模式发生器依次产生的高斯脉冲为：
13.脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为60ps的两个单峰高斯脉冲；
14.脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为360ps的一个单峰高斯脉冲和一个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔设置为200ps；
15.脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为440ps的两个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔均设置为200ps。。
16.优选地，所述第一调制器和所述第二调制器在仿真时均采用强度调制，获取添加了强度微扰的连续波泵浦场；
17.所述添加了强度微扰的连续波泵浦场包括：偏振态u和偏振态v，u轴和v轴为两个正交偏振轴；
18.所述偏振态u表示为：
19.e
in,u(z,τ)
＝e
in
cos(χ) e
p,u
exp[-τ2/(2τ
u2
)]f(z)
[0020]
所述偏振态v表示为：
[0021]ein,v(z,τ)
＝e
in
sin(χ) e
p,v
exp[-(τ-δτ
drift
)2/(2τ
v2
)]f(z)
[0022]
其中，e
in
为连续波泵浦源输出的连续波泵浦场；e
in,u(z,τ)
和e
in,v(z,τ)
分别为对应于偏振态u和v的第一模式发生器和第二模式发生器产生的驱动场强度；e
p,u
和e
p,v
分别为对应于偏振态u和v的第一模式发生器和第二模式发生器产生的用于强度调制的驱动场峰值强度；τu和τv分别为第一模式发生器和第二模式发生器产生的高斯脉冲的脉宽；δτ
drift
为偏振态v相对于u的漂移时间；f(z)为矩形函数，f(z)＝π(z/l-n
0-1/2)对于z∈[n0l,(n0 1)l]，z和l分别为传输距离与腔长，当f(z)为0时表示在第n0圈注入了强度调制。
[0023]
优选地，所述耦合器在仿真时的耦合度为90：10。
[0024]
优选地，所述耦合器和所述第二偏振控制器通过保偏光纤组成无源环形谐振腔，所述添加了强度微扰的连续波泵浦场通过所述无源环形谐振腔获得矢量腔孤子；
[0025]
所述添加了强度微扰的连续波泵浦场在所述无源环形谐振腔内的演化公式如下：
[0026][0027][0028]
其中，z为腔内的传输距离；u和v为两个偏振态的缓变电场包络；α1＝(α-ln(1-k))/(2l)，α为腔内损耗，k为功率耦合系数，l为腔长；δβ为两个偏振模式之间的波矢失配；δ1＝δ0/l，δ0为环程相位失谐；β2为群速度色散；δβ1为群速度失配；γ为克尔非线性系数；η＝k
1/2
/l；e
in
为一个连续波泵浦场；χ为泵浦场的线性偏振方向。
[0029]
一种基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生方法，基于上述的基于无源谐振腔的高
阶矢量孤子产生系统实现，包括：
[0030]
s1：开始仿真，所述连续波泵浦源产生输入激光；
[0031]
s2：所述输入激光依次经过所述第一偏振控制器、所述第一偏振分束器、所述第一调制器、所述第二调制器，且分别在所述第一模式发生器和所述第二模式发生器的作用下进行强度调制，得到添加了强度微扰的连续波泵浦场；所述耦合器和所述第二偏振控制器构成所述无源环形谐振腔；
[0032]
s3：将所述添加了强度微扰的连续波泵浦场依次经过所述偏振合束器和所述耦合器，进入所述无源环形谐振腔进行激励并得到矢量腔孤子；
[0033]
s4：将所述矢量腔孤子依次经过所述第三偏振控制器和第二偏振分束器，矢量腔孤子的两个偏振正交成分分别在所述第二偏振分束器的横轴和纵轴上进行投影，获取横轴投影结果和纵轴投影结果；
[0034]
投影过程如下：
[0035]
h＝u
·
cosθ v
·
sinθ
[0036]
v＝u
·
sinθ-v
·
cosθ
[0037]
其中，h表示横轴投影结果，v表示纵轴投影结果，θ表示偏振态u与第二偏振分束器中横轴的夹角；
[0038]
s5：根据所述矢量腔孤子的两个偏振正交成分、所述横轴投影结果和所述纵轴投影结果获得高阶矢量孤子，具体为：
[0039]
对于两个偏振正交成分为“1 1”的所述矢量腔孤子，若横轴投影结果和纵轴投影结果皆为两个脉冲，则投影后得到的矢量孤子为“2 2”型高阶矢量孤子；对应的第一模式发生器和第二模式发生器输出的高斯脉冲分别为：脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为60ps的两个单峰高斯脉冲；
[0040]
对于两个偏振正交成分为“1 2”的所述矢量腔孤子，若横轴投影结果和纵轴投影结果皆为三个脉冲，则投影后得到的矢量孤子为“3 3”型高阶矢量孤子；对应的第一模式发生器和第二模式发生器输出的高斯脉冲分别为：脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为360ps的一个单峰高斯脉冲和一个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔设置为200ps；
[0041]
对于两个偏振正交成分为“2 2”的所述矢量腔孤子，若横轴投影结果和纵轴投影结果皆为四个脉冲，则投影后得到的矢量孤子为“4 4”型高阶矢量孤子；对应的第一模式发生器和第二模式发生器输出的高斯脉冲分别为：脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为440ps的两个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔均设置为200ps。
[0042]
本发明具有以下有益效果：
[0043]
通过基于无源谐振腔产生高阶矢量孤子，提供一种产生高阶矢量孤子的新思路。
附图说明
[0044]
图1为本发明实施例系统结构图；
[0045]
图2为本发明实施例方法流程图；
[0046]
图3为“2 2”型高阶矢量孤子的时域图；
[0047]
图4为“2 2”型高阶矢量孤子的光谱图；
[0048]
图5为“3 3”型高阶矢量孤子的时域图；
[0049]
图6为“3 3”型高阶矢量孤子的光谱图；
[0050]
图7为“4 4”型高阶矢量孤子的时域图；
[0051]
图8为“4 4”型高阶矢量孤子的光谱图；
[0052]
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
[0053]
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。
[0054]
参照图1，本发明提供一种基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生系统，包括：连续波泵浦源1、第一偏振控制器2、第一偏振分束器3、第一调制器6、第一模式发生器4、第二调制器7、第二模式发生器5、偏振合束器8、耦合器9、第二偏振控制器10、第三偏振控制器11和第二偏振分束器12；
[0055]
所述连续波泵浦源1与所述第一偏振控制器2的进口连接，所述第一偏振控制器2的出口与所述第一偏振分束器3的进口连接，所述第一偏振分束器3的3a出口与所述第一调制器6的第一进口连接，所述第一偏振分束器3的3b出口与所述第二调制器7的第一进口连接，所述第一模式发生器4与所述第一调制器6的第二进口连接，所述第二模式发生器5与所述第二调制器7的第二进口连接，所述第一调制器6的出口与所述偏振合束器8的8a进口连接，所述第二调制器7的出口与所述偏振合束器8的8b进口连接，所述偏振合束器8的出口与所述耦合器9的9b进口连接，所述耦合器9的9a进口与所述第二偏振控制器10的出口连接，所述耦合器9的9c出口与所述第二偏振控制器10的进口连接，所述耦合器9的9d出口与所述第三偏振控制器11的进口连接，所述第三偏振控制器11的出口与所述第二偏振分束器12的进口连接。
[0056]
本实施例中，所述连续波泵浦源1在仿真时采用单色光的连续波激光器，所述单色光的连续波激光器的功率为2w，波长为1550nm；其中标记a为泵浦光输入，标记b为高阶矢量孤子的激光输出。
[0057]
本实施例中，第一偏振控制器2和第一偏振分束器3的组合仿真用于实现正交偏振分量的分离，所述第一偏振分束器3在仿真时的分光比为50：50，分离后的激光分别由输出端口3a和输出端口3b输出。
[0058]
本实施例中，所述第一模式发生器4和所述第二模式发生器5在仿真时均采用电脉冲发生器，所述电脉冲发生器的工作功率范围为20至100w，所述电脉冲发生器用于产生预设脉宽、强度和时延的高斯脉冲；
[0059]
仿真时根据需求，所述第一模式发生器4和所述第二模式发生器5依次产生的高斯脉冲为：
[0060]
(1)脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为60ps的两个单峰高斯脉冲；
[0061]
(2)脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为360ps的一个单峰高斯脉冲和一个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔设置为200ps；
[0062]
(3)脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为440ps的两个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔均设置为200ps。
[0063]
本实施例中，所述第一调制器6和所述第二调制器7在仿真时均采用强度调制；由
第一模式发生器4和第二模式发生器5产生的高斯脉冲信号分别驱动第一调制器6和第二调制器7，将强度扰动添加到由端口3a和端口3b输入的连续波泵浦场，获得添加了强度微扰的连续波泵浦场；
[0064]
所述添加了强度微扰的连续波泵浦场包括：偏振态u和偏振态v，u轴和v轴为两个正交偏振轴；
[0065]
所述偏振态u表示为：
[0066]ein,u(z,τ)
＝e
in
cos(χ) e
p,u
exp[-τ2/(2τ
u2
)]f(z)
[0067]
所述偏振态v表示为：
[0068]ein,v(z,τ)
＝e
in
sin(χ) e
p,v
exp[-(τ-δτ
drift
)2/(2τ
v2
)]f(z)
[0069]
其中，e
in
为连续波泵浦源1输出的连续波泵浦场；e
in,u(z,τ)
和e
in,v(z,τ)
分别为对应于偏振态u和v的第一模式发生器4和第二模式发生器5产生的驱动场强度；e
p,u
和e
p,v
分别为对应于偏振态u和v的第一模式发生器4和第二模式发生器5产生的用于强度调制的驱动场峰值强度；τu和τv分别为第一模式发生器4和第二模式发生器5产生的高斯脉冲的脉宽；δτ
drift
为偏振态v相对于u的漂移时间；f(z)为矩形函数，f(z)＝π(z/l-n
0-1/2)对于z∈[n0l,(n0 1)l]，z和l分别为传输距离与腔长，当f(z)为0时表示在第n0圈注入了强度调制。
[0070]
本实施例中，偏振合束器8用于将两束经过调制后的正交偏振激光分别从8a进口和8b进口处输入进行耦合；
[0071]
所述耦合器9在仿真时的耦合度为90：10，其中标记9a、9b为耦合器9的进口，标记9c、9d分别为耦合器9的10％出口、90％出口。
[0072]
本实施例中，所述耦合器9和所述第二偏振控制器10通过保偏光纤组成无源环形谐振腔，所述添加了强度微扰的连续波泵浦场通过所述无源环形谐振腔获得矢量腔孤子；
[0073]
所述无源环形谐振腔在仿真时的长度为85m，重复频率为2.39mhz，单位长度损耗为0.0011/m，群速度色散为-20ps2/km，群速度失配为1
×
10-13s/m，波矢失配为-0.0049/m，克尔非线性系数为1.2
×
10-3/w/m，耦合效率为0.0026/m，泵浦场的线性偏振方向为0.15π；
[0074]
第二偏振控制器10根据每个偏振模的两个共振来调整波矢失配，确保激光停止频率位于有效的红光失谐区域；
[0075]
所述添加了强度微扰的连续波泵浦场在所述无源环形谐振腔内的演化公式如下：
[0076][0077][0078]
其中，z为腔内的传输距离；u和v为两个偏振态的缓变电场包络；α1＝(α-ln(1-k))/(2l)，α为腔内损耗，k为功率耦合系数，l为腔长；δβ为两个偏振模式之间的波矢失配；δ1＝δ0/l，δ0为环程相位失谐；β2为群速度色散；δβ1为群速度失配；γ为克尔非线性系数；η＝k
1/2
/l；e
in
为一个连续波泵浦场；χ为泵浦场的线性偏振方向；
[0079]
第三偏振控制器11用于改变由9d出口输出的基阶或高阶矢量孤子的偏振方向以及两正交偏振成分之间的相位差，第二偏振分束器12通过光纤耦合偏振分束器，此时基阶或高阶矢量孤子的两个偏振成分会在偏振分束器的横轴和纵轴上产生投影，投影的结果可
以获得高阶矢量孤子。
[0080]
参考图2，本发明提供一种基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生方法，基于上述的基于无源谐振腔的高阶矢量孤子产生系统实现，包括：
[0081]
s1：开始仿真，所述连续波泵浦源1产生输入激光；
[0082]
具体实现中，仿真时将连续波泵浦源1的输出功率设置为2w；
[0083]
s2：所述输入激光依次经过所述第一偏振控制器2、所述第一偏振分束器3、所述第一调制器6、所述第二调制器7，且分别在所述第一模式发生器4和所述第二模式发生器5的作用下进行强度调制，得到添加了强度微扰的连续波泵浦场；所述耦合器9和所述第二偏振控制器10构成所述无源环形谐振腔；
[0084]
s3：将所述添加了强度微扰的连续波泵浦场依次经过所述偏振合束器8和所述耦合器9，进入所述无源环形谐振腔进行激励并得到矢量腔孤子；
[0085]
s4：将所述矢量腔孤子依次经过所述第三偏振控制器11和第二偏振分束器12，矢量腔孤子的两个偏振正交成分分别在所述第二偏振分束器12的横轴和纵轴上进行投影，获取横轴投影结果和纵轴投影结果；
[0086]
投影过程如下：
[0087]
h＝u
·
cosθ v
·
sinθ
[0088]
v＝u
·
sinθ-v
·
cosθ
[0089]
其中，h表示横轴投影结果，v表示纵轴投影结果，θ表示偏振态u与第二偏振分束器12中横轴的夹角；
[0090]
s5：根据所述矢量腔孤子的两个偏振正交成分、所述横轴投影结果和所述纵轴投影结果获得高阶矢量孤子，具体为：
[0091]
对于两个偏振正交成分为“1 1”的所述矢量腔孤子，若横轴投影结果和纵轴投影结果皆为两个脉冲，则投影后得到的矢量孤子为“2 2”型高阶矢量孤子；对应的第一模式发生器4和第二模式发生器5输出的高斯脉冲分别为：脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为60ps的两个单峰高斯脉冲；图3为“2 2”型高阶矢量孤子的时域图，图4为“2 2”型高阶矢量孤子的光谱图；
[0092]
对于两个偏振正交成分为“1 2”的所述矢量腔孤子，若横轴投影结果和纵轴投影结果皆为三个脉冲，则投影后得到的矢量孤子为“3 3”型高阶矢量孤子；对应的第一模式发生器4和第二模式发生器5输出的高斯脉冲分别为：脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为360ps的一个单峰高斯脉冲和一个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔设置为200ps；图5为“3 3”型高阶矢量孤子的时域图，图6为“3 3”型高阶矢量孤子的光谱图；
[0093]
对于两个偏振正交成分为“2 2”的所述矢量腔孤子，若横轴投影结果和纵轴投影结果皆为四个脉冲，则投影后得到的矢量孤子为“4 4”型高阶矢量孤子；对应的第一模式发生器4和第二模式发生器5输出的高斯脉冲分别为：脉宽为20ps，强度为72w，时间间隔为440ps的两个双峰高斯脉冲，其中双峰高斯脉冲之间的时间间隔均设置为200ps；图7为“4 4”型高阶矢量孤子的时域图，图8为“4 4”型高阶矢量孤子的光谱图。
[0094]
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。
[0095]
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。
[0096]
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。