CN105006739A

CN105006739A - 一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法

Info

Publication number: CN105006739A
Application number: CN201510420967.XA
Authority: CN
Inventors: 朱恩亮
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-07-16
Also published as: CN105006739B

Abstract

本发明公开了一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法，激光器产生激光经耦合器分出两路光束信号，一束光束在非线性光纤中产生背向布里渊散射，另一束通过微波信号源进行移频，使得两束光路信号的频率相差光纤布里渊频移大小，在非线性光纤中激发布里渊动态光栅；所述非线性光纤是内部填充有折射内芯的毛细管。本发明提出的一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法，在毛细管内部填充一定的介质制成非线性光纤，通过控制主激光器的波长、功率和微波信号源的频率来调节布里渊动态光栅的特性，获得可调谐光栅特性的动态光栅，同时大大降低了电磁干扰，且具有体积小、精度高、成本低廉和结构简单的优点。

Description

一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光栅产生装置及方法，具体涉及一种布里渊散射动态光栅产生装置及方法。

背景技术

光谱信号测量是光学测量和检测过程中最常用的测量手段，广泛应用于光通信、国防、航空航天、环保及材料等领域。在光谱信号测量中必须利用光纤光栅进行信号的选取，在测量的参数中，测量分辨率是光谱测量的最主要的技术指标。由于受到光栅刻痕密度和光束孔径等参数的限制，使得基于传统光栅的光谱仪分辨率最高仅为几个pm；相比传统光栅光谱仪，扫描法布里-珀罗干涉仪虽能提供较高光谱分辨率，但它的波长测量范围和光谱分辨率是一对矛盾参数，无法在宽波长范围情况下获得较高的光谱分辨率。近年来，传统光谱仪的分辨率已经逐渐不能满足新技术的发展需求，成为新兴领域发展的一大瓶颈。新涌现出来的应用需求对现有光谱仪的分辨率提出了挑战，因此探索新型的光谱分析机理，发展超高分辨光谱测量技术就成了一种必然趋势和目前迫切需要解决的问题。

近年来，光纤中的布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点，已被广泛研究应用于全光信号处理、光纤传感、微波光子学、光学存储和光纤特性表征等，引起研究人员的高度重视。董永康等研究人员提出的发明专利基于布里渊动态光栅的光谱分析装置及其分析方法，申请号201310231671.4，利用普通单模光纤产生布里渊动态光栅进行光谱分析；董永康等研究人员提出的发明专利基于受激布里渊散射动态光栅的微波光子滤波器及其滤波方法，申请号201310233987.7，利用保偏光纤产生布里渊动态光栅进行微波光子滤波设计。目前，他们都是利用普通单模光纤或者保偏光纤产生布里渊动态光栅，这些布里渊动态光栅的研究与开发都是集中在固定频率泵浦光产生固定光栅，因此，其反射波长也是固定的，限制了在高分辨率光谱分析技术中的应用。近年来，在激光技术、电子技术及新型光电探测元件发展的推动下，光谱分辨率和动态范围都提高了几个数量级，因此，在利用普通单模光纤或者保偏产生的布里渊动态光栅很难满足这些新的挑战。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法，不仅能够产生高质量的布里渊动态光栅，而且能够获得高精度可调谐的动态光栅栅距等参数。

技术方案：本发明提供了一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置，包括两条光路，一条光路为依次连接的激光器、耦合器、放大器、第一偏振控制器和非线性光纤，另一条从所述耦合器出发依次连接第二偏振控制器、调制器、偏振合束器最后回到非线性光纤，还包括同步控制器，所述同步控制器与激光器相连的同时通过微波信号源连接所述调制器；所述非线性光纤是以毛细管为载体的光纤，所述毛细管内部填充有折射内芯。

由于布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅，一般是泵浦光1和泵浦光2，其频率差等于光纤布里渊频移且以相同的偏振态(x偏振)从光纤两端注入光纤，通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场，形成布里渊动态光栅。本发明的两条光路正是用于产生两路泵浦光，并在非线性光线中生成稳定且可调谐的布里渊动态光栅。

进一步，所述毛细管介质为石英毛细管，可以增强毛细管的非线性特性，产生较强的布里渊散射效应。

进一步，所述折射内芯为四氯化碳、二硫化碳及石墨烯中的一种或几种，可以通过改变介质中的种类及比例控制混合液的折射率，从而实现液芯光纤的单模传输。

进一步，所述毛细管的内径范围为2～10μm。

进一步，还包括与偏振合束器连接的探测激光器，探测信号光以y偏振态注入光纤，就可以被布里渊动态光栅反射形成反射信号。

一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生方法，激光器产生激光经耦合器分出两路光束信号，其中一路经放大器放大后进入第一偏振控制器中，从第一偏振控制器输出的光束注入非线性光纤中，在非线性光纤中产生背向布里渊散射；从耦合器分出的另一路光束信号经第二偏振控制器进入调制器，被调制后的输出光束经偏振合束器进入非线性光纤中，微波信号源对调制器中的光束进行移频，使得两束光路信号的频率相差光纤布里渊频移大小，同步控制器输出的同步信号分别给激光器和调制器，保证两者信号同步，在非线性光纤中激发布里渊动态光栅；所述非线性光纤是由预制体拉制而成的毛细管，通过飞秒微加工技术在毛细管其内部填充折射内芯，两端用单模光纤熔接起来。

优选的，所述激光器为可调谐单频激光器，所述放大器为功率可调谐的掺饵光纤放大器。

进一步，所述布里渊动态光栅的栅距通过调节激光器的波长、功率以及微波信号源的频率来实现。

有益效果：本发明提出的一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法，在毛细管内部填充一定的介质制成非线性光纤，通过控制主激光器的波长、功率和微波信号源的频率来调节布里渊动态光栅的特性；具体的，布里渊动态光栅的公式Λ＝λ/(2n)，其中Λ是布里渊动态光栅的栅距，λ是泵浦光波长，n为介质折射率，通过调节泵浦光波长λ就可以改变光栅的栅距Λ，从而改变光栅的反射波长，实现光谱的测量；根据布里渊频移公式ν_B＝2nV/λ，其中ν_B是布里渊频移，n为介质折射率，V为介质中的声速，λ为泵浦光波长，可以看出，光纤的布里渊频移ν_B与泵浦光波长λ成反比；因此，本发明不仅能够产生布里渊动态光栅，而且能够获得可调谐光栅特性的动态光栅，同时大大降低了电磁干扰，且具有体积小、精度高、成本低廉和结构简单的优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意框图；

图2为本发明的布里渊动态光栅的激发和探测示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

实施例1：一种基于毛细管布里渊散射动态光栅产生的装置，如图1所示，包括两条光路，一条光路为依次连接的窄线宽可调谐激光器201、耦合器202、掺饵光纤放大器203、第一偏振控制器204和非线性光纤205，另一条从耦合器202出发依次连接第二偏振控制器208、photoline电光调制器209、偏振合束器210回到非线性光纤205。同步控制器206一端连接窄线宽可调谐激光器201，另一端通过微波信号源207连接photoline电光调制器209。探测激光器211与偏振合束器210相连。

具体的，本实施例中的非线性光纤205是由精密石英毛细管由预制体拉制而成，其石英砂的纯度约为99.999％，毛细管的外径为120μm，内径10μm，长度为10m，通过飞秒微加工技术在毛细管其内部填充折射内芯，两端用单模光纤熔接起来，形成结构稳固的高非线性低双折射液芯光纤，其中，折射内芯为四氯化碳。

上述装置的光栅产生方法为，窄线宽可调谐激光器201设置输出波长为1550nm，功率为5dBm，其输出的光经耦合器202分出两路信号，其中50％的光从一个端口输出进入掺饵光纤放大器203的输入端，最大输出功率30dBm，设置输出为25dBm，被掺饵光纤放大器203放大后的信号经第一偏振控制器204进入到非线性光纤205中，在非线性光纤205中产生背向布里渊散射信号；经耦合器202分出的另一路50％的输出的信号经第二偏振控制器208进入到photoline电光调制器209，被调制的信号经偏振合束器210进入非线性光纤205中产生布里渊动态光栅。由于布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅，一般是泵浦光1和泵浦光2，其频率差等于布里渊频移以相同的偏振态(x偏振)从光纤两端注入光纤，通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场，形成布里渊动态光栅，探测信号光以y偏振态注入光纤，就可以被布里渊动态光栅反射形成反射信号。如图2所示，本实施例中的泵浦光1信号是由可调谐激光器201经耦合器202分出的进入掺饵光纤放大器203中的信号，泵浦光2信号是由可调谐激光器201经耦合器202分出进入第二偏振控制器208，再经电光调制器209移频后的信号，由于非线性光纤205在1550nm泵浦信号的布里渊频移为10.91GHz，所以首先设置微波信号源207的频率为10.91GHz，并做一定的微调，使得从泵浦光2的信号频率小于泵浦光1信号的频率10.91GHz，微波信号源207产生的微波信号驱动电光调制器209，同步控制器206产生的控制信号驱动可调谐激光器201和微波信号源207，并将同步控制器206设置为内同步，这样在非线性光纤205中产生布里渊动态光栅。通过调节可调谐激光器201的泵浦波长和微波信号源207的频率，可以获得可调谐栅距的动态光栅，相比于目前已有固定栅距的动态光栅技术，该发明可以获得可调谐栅距的动态光栅。如果利用探测激光器211发出的信号光经偏振合束器210进入非线性光纤205中进行扫描，就可以始终获得高效激发的布里渊动态光栅。

实施例2：与实施例1装置相同，不同之处在于：本实施例的非线性光纤205的载体毛细管的外径为110μm，内径6μm，长度为8m，通过飞秒微加工技术在毛细管其内部填充体积50：50的四氯化碳和二硫化碳的混合液体。非线性光纤205在1550nm泵浦信号的布里渊频移为11.21GHz，所以首先设置微波信号源207的频率为11.21GHz，并做一定的微调，使得泵浦光2比泵浦光1的信号频率小11.21GHz，这样可以同样获得可调谐栅距的动态光栅。

实施例3：与实施例1装置相同，不同之处在于：本实施例的非线性光纤205的载体毛细管的外径为95μm，内径2μm，长度为5m，通过飞秒微加工技术在毛细管其内部填充体积石墨烯。非线性光纤205在1550nm泵浦信号的布里渊频移为12.08GHz，所以首先设置微波信号源207的频率为12.08GHz，并做一定的微调，使得泵浦光2比泵浦光1的信号频率小12.08GHz，这样可以同样获得可调谐栅距的动态光栅。

Claims

1.一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置，其特征在于：包括两条光路，一条光路为依次连接的激光器、耦合器、放大器、第一偏振控制器和非线性光纤，另一条从所述耦合器出发依次连接第二偏振控制器、调制器、偏振合束器最后回到非线性光纤，还包括同步控制器，所述同步控制器与激光器相连的同时通过微波信号源连接所述调制器；所述非线性光纤是以毛细管为载体的光纤，所述毛细管内部填充有折射内芯。

2.根据权利要求1所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置，其特征在于：所述毛细管为石英毛细管。

3.根据权利要求1所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置，其特征在于：所述折射内芯为四氯化碳、二硫化碳及石墨烯中的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置，其特征在于：所述毛细管的内径范围为2～10μm。

5.根据权利要求1所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置，其特征在于：还包括与偏振合束器连接的探测激光器。

6.一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生方法，其特征在于：激光器产生激光经耦合器分出两路光束信号，其中一路经放大器放大后进入第一偏振控制器中，从第一偏振控制器输出的光束注入非线性光纤中，在非线性光纤中产生背向布里渊散射；从耦合器分出的另一路光束信号经第二偏振控制器进入调制器，被调制后的输出光束经偏振合束器进入非线性光纤中，微波信号源对调制器中的光束进行移频，使得两束光路信号的频率相差光纤布里渊频移大小，同步控制器输出的同步信号分别给激光器和调制器，保证两者信号同步，在非线性光纤中激发布里渊动态光栅；所述非线性光纤是由预制体拉制而成的毛细管，通过飞秒微加工技术在毛细管其内部填充折射内芯，两端用单模光纤熔接起来。

7.根据权利要求6所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生方法，其特征在于：所述毛细管为石英毛细管。

8.根据权利要求6所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生方法，其特征在于：所述折射内芯为四氯化碳、二硫化碳及石墨烯中的一种或者几种的混合物。

9.根据权利要求6所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生方法，其特征在于：所述激光器为可调谐单频激光器，所述放大器为功率可调谐的掺饵光纤放大器。

10.根据权利要求6所述的基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生方法，其特征在于：所述布里渊动态光栅的栅距通过调节激光器的波长、功率以及微波信号源的频率来实现。