CN113809628B - 一种光脉冲序列重频倍增控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光脉冲序列重频倍增控制装置及方法，包括脉冲激光源，用于产生具有预设重频和预设脉宽的初始光脉冲序列；振幅调制模块，与脉冲激光源连接，用于对初始光脉冲序列的幅度进行调制，得到中间光脉冲序列；色散介质提供色散值以满足时域泰伯效应条件，与振幅调制模块连接，用于将中间光脉冲序列转化成重频倍增的目标光脉冲序列，并输出目标光脉冲序列，实现重频倍增倍数的灵活调节。

Description

一种光脉冲序列重频倍增控制装置及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种光脉冲序列重频倍增控制装置及方法。

背景技术

光脉冲序列广泛应用于高速光通信***、光信号处理、光谱学等重要领域。目前，存在多种装置和方法控制光脉冲序列的重频，实现高速光脉冲序列的产生。锁模激光器是最常见的脉冲激光源，但由于受内在腔体结构的限制，输出光脉冲序列的重频调节范围非常有限。商用的光学比特率倍增器常用于高速光脉冲序列的重频倍增，但倍增倍数相对固定且调节缺乏灵活性，难以实现光脉冲序列重频的高倍数倍增。

时域泰伯效应是光脉冲序列经过具有特定色散值的色散介质后的一种自成像效应，常应用于光脉冲序列的重频倍增。虽然此方法结构简单，但倍增倍数变更要求大范围地调整色散介质的色散值，从而导致整个***反复重构，严重限制操作的灵活性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种光脉冲序列重频倍增控制装置及方法，旨在实现对光脉冲序列重频倍增控制的灵活调节。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

脉冲激光源，用于产生具有预设重频和预设脉宽的初始光脉冲序列；

振幅调制模块，与所述脉冲激光源连接，用于对所述初始光脉冲序列的幅度进行调制，得到中间光脉冲序列；

色散介质，提供满足时域泰伯效应条件的色散值，并与所述振幅调制模块连接，用于将所述中间光脉冲序列转化成重频倍增的目标光脉冲序列，并输出所述目标光脉冲序列。

在一种实施方式中，振幅调制模块包括：

分光器，与所述脉冲激光源连接，用于将所述初始光脉冲序列分为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

光电探测器，与所述分光器连接，用于生成与所述第一光脉冲序列对应的时钟信号；

码型发生器，与所述光电探测器连接，用于根据所述时钟信号生成与所述第二光脉冲序列同步的二元码调制信号；

电光调制器，分别与所述码型发生器和所述分光器连接，用于根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列。

在一种实施方式中，所述振幅调制模块还包括：

光延迟线，设置于所述分光器和所述电光调制器之间，用于当所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上未对准时，调整所述第二光脉冲序列的时延，以使所述第二光脉冲序列与所述二元码调制信号在时域上对准。

在一种实施方式中，所述光脉冲序列重频倍增控制装置还包括：

光放大器，与所述色散介质连接，用于调整所述目标光脉冲序列的功率，并输出调整后的所述目标光脉冲序列。

在一种实施方式中，所述脉冲激光源为主动或被动锁模激光器、无腔结构脉冲激光源、微环谐振腔中的一种。

在一种实施方式中，所述电光调制器为单一电光调制器、马赫曾德尔调制器、IQ调制器、电光调制器组合中的一种。

在一种实施方式中，所述电光调制器组合为光强度调制器和光相位调制器组合，其中，所述光强度调制器包括电吸收调制器或马赫曾德尔调制器。

在一种实施方式中，所述色散介质为标准单模光纤介质、色散补偿光纤介质或啁啾布拉格光栅介质中的一种。

在一种实施方式中，所述光脉冲序列重频倍增控制方法的步骤包括：

根据预设重频和预设脉宽输出初始光脉冲序列；

对所述初始光脉冲序列进行幅度调制，得到中间光脉冲序列；

将所述中间光脉冲序列输入色散值满足时域泰伯效应条件的色散介质，以将所述中间光脉冲序列转化成重频倍增的目标脉冲序列，并输出所述目标光脉冲序列。

在一种实施方式中，对所述初始光脉冲序列进行幅度调制，得到中间光脉冲序列的步骤包括：

将所述初始光脉冲序列分为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

生成与所述第一光脉冲序列对应的时钟信号，并根据所述时钟信号生成与所述第二光脉冲序列同步的二元码调制信号；

根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列。

在一种实施方式中，所述根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列的步骤之后，还包括：

根据所述中间光脉冲序列判断所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上未对准时，调整所述第二光脉冲序列的时延，直至生成所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上对准之后的中间光脉冲序列。

本发明光脉冲序列重频倍增控制装置，通过设置脉冲激光源中的预设重频，可输出重频倍增的初始光脉冲序列，振幅调制模块对初始光脉冲序列中的幅度进行调整，得到中间光脉冲序列，通过色散介质提供特定色散值以使中间光脉冲序列发生时域泰伯效应，得到强度平整、重频倍增的目标光脉冲序列，实现重频倍增倍数的灵活调节。

附图说明

图1为本发明一种光脉冲序列重频倍增控制装置的通用实施例的结构示意图；

图2为本发明可替代方案一中的无腔结构脉冲激光源结构图；

图3为本发明可替代方案二的装置结构示意图；

图4为本发明可替代方案三的第一装置结构示意图；

图5为本发明可替代方案三的第二装置结构示意图；

图6为本发明可替代方案三的第三装置结构示意图；

图7为本发明可替代方案四的装置结构示意图；

图8为本发明方法实施例的流程示意图；

图9为本发明初始光脉冲序列示意图；

图10为本发明中间光脉冲序列示意图；

图11为本发明目标光脉冲序列示意图；

图12为本发明功率放大的目标光脉冲序列示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

参照图1，图1为本发明实施例提供的一种光脉冲序列重频倍增控制装置的结构示意图，首先在脉冲激光源1中设定重频和脉宽，即预设重频和预设脉宽，脉冲激光源1产生具有预设重频和预设脉宽的光脉冲序列，即初始脉冲序列，脉冲激光源1可以是为主动或被动锁模激光器、无腔结构脉冲激光源、微环谐振腔中的一种。振幅调制模块A接收到初始光脉冲序列对初始光脉冲序列的振幅进行调整，得到中间光脉冲信号。

在一些具体的实施例中，所述振幅调制A模块包括分光器2、光电探测器3、码型发生器4以及电光调制器6，具体的初始光脉冲序列的幅度调整过程包括，分光器2与脉冲激光源1连接，当分光器1接收到脉冲激光源1输出的初始光脉冲序列后将初始光脉冲序列分成两路光脉冲序列，即第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，第一光脉冲序列输入与分光器2连接的光电探测器3，第二光脉冲序列输入与分光器2连接的电光调制器6。光电探测器3根据第一光脉冲序列转化成与第一光脉冲信号对应的时钟信号，并将时钟信号输入与光电探测器3连接的码型发生器4，码型发生器4根据时钟信号生成与第二光脉冲序列同步的二元码调制信号。码型发生器为具备生成任意形式的模拟信号或数字信号功能，且由外部或内部时钟触发的信号输出***。电光调制器6均与码型发生器4和分光器2连接，当电光调制器6接收到二元码调制信号和第二光脉冲序列，电光调制器6根据二元码调制信号调制第二光脉冲信号，得到中间光脉冲信号。每个二元码调制信号均对应控制第二光脉冲序列中的一个振幅，每一个二元码调制信号的设计降低电光调制器6的消光比要求。电光调制器可以为单一电光调制器、马赫曾德尔调制器、IQ(In-phase Quadrature，同相正交)调制器、电光调制器组合中的一种，其中，电光调制器组合为光强度调制器和光相位调制器组合，光强度调制器包括电吸收调制器或马赫曾德尔调制器。

在另一些实施例中，为了防止二元码调制信号与第二光脉冲序列在时域上不对准的情况出现，在分光器2和电光调制器6之间设置光延迟线5，当根据中间光脉冲序列判断二元码调制信号与第二光脉冲信号在时域上不对准时，光延迟线5精确的调整第二光脉冲序列与二元码调制信号之间的时域位错，以使第二光脉冲序列与二元码调制信号在时域上对准，电光调制器6输出二元码调制信号与第二光脉冲序列在时域上对准后的中间光脉冲序列。

振幅调制模块A将中间光脉冲序列输入色散介质7，色散介质7提供特定的色散值以满足时域泰伯效应条件，色散介质7输出强度平整、重频倍增的光脉冲序列，即目标脉冲序列。色散介质为标准单模光纤介质、色散补偿光纤介质或啁啾布拉格光栅介质中的一种。

在另一些实施例中，光脉冲序列重频倍增控制装置还包括光放大器8，光放大器8与色散介质7连接，色散介质7可将目标光脉冲序列输入光放大器8，光放大器8可以增大目标光脉冲序列的功率并输出。光放大器8可以为任意具备激光功率放大功能的器件及***，包括但不限于光纤放大器、半导体光放大器等。

本实施例的光脉冲序列重频倍增控制装置，通过设置脉冲激光源中的预设重频，可输出重频预设的初始光脉冲序列，振幅调制模块对初始光脉冲序列的幅度进行调整，得到中间光脉冲序列，通过色散介质提供特定色散值以使中间光脉冲序列发生时域泰伯效应，得到强度平整、重频倍增的目标光脉冲序列，实现重频倍增倍数的灵活调节。

本实施例还提出可替代方案，可替代方案一：

选择无腔结构脉冲激光源为图1中的脉冲激光源，无腔结构脉冲激光源的结构参见图2，图中101为可调谐连续激光源、102为电光调制器、103为电信号放大器、104为正弦信号源、105为色散介质、106为光放大器、107高非线性材料、108为光带通滤波器；

可替代方案二：选择延时可调码型发生器替换图1中码型发生器4，参见图3，省略光延迟线，延时可调码型发生器起到调整二元码调制信号与第二光脉冲序列之间时域位错的作用；

可替代方案三：选择IQ调制器作为图1中的电光调制器6，参见图4，由图4可知，IQ调制器需要两路二元码调制信号；若选择马赫曾德尔调制器作为电光调制器6，只需一路二元码调制信号，参见图5；选择电光调制器组合为两个电光调制器，参见图6，601为光强度调制器，602为光相位调制器。

可替代方案四：参见图7，与本实施例提供的装置不同的是，省略分光器2和光电探测器3，将脉冲激光源1直接与码型发生器4连接，利用脉冲激光源内部时钟触发码型发生器生成与光脉冲序列同步的二元码调制信号。

提供一种光脉冲序列重频倍增控制方法的实施例，图8为光脉冲序列重频倍增控制方法的流程示意图，光脉冲序列重频倍增控制方法的步骤包括：

步骤S10，根据预设重频和预设脉宽输出初始光脉冲序列；

步骤S20，对所述初始光脉冲序列进行幅度调制，得到中间光脉冲序列；

步骤S30，将所述中间光脉冲序列输入色散值满足时域泰伯效应条件的色散介质，以将所述中间光脉冲序列将转化成重频倍增的目标脉冲序列，并输出所述目标光脉冲序列。

脉冲激光源根据预设的重频和预设的脉宽产生初始光脉冲序列，脉冲激光源将初始光脉冲序列输入振幅调制模块，振幅调制模块调制初始光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列，振幅调制模块将中间光脉冲序列输入色散介质，色散介质提供色散值以满足时域泰伯效应条件，将中间光脉冲序列转化成目标光脉冲序列，时域泰伯效应条件即

β₂为色散介质的群速度色散值，z为色散介质的长度。

如图9所示，脉冲激光源输出的初始脉宽序列的脉宽(脉冲宽度)为Δt，重复周期为T₀，重频(重复频率)为f₀。振幅调制模块调制初始脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列，如图10所示，图中N表示中间光脉冲系列在一个调制周期内振幅系数的总数目，而且N还表示重频倍增倍数，C_n表示第n个振幅系数，用|C_n|²表示第n个光脉冲强度。当重频倍增倍数N为2时，中间光脉冲序列中的振幅为C_n＝1(n＝1，2)，C_n＝-1(n＝3，4)，重复周期为4T₀；当重频倍增倍数大于或等于3时，中间光脉冲序列的幅度为C₁＝1，C_n＝2/(2-N)(n＝2，3，…，N)，重复周期为NT₀。将图10显示的中间光脉冲序列输入色散介质，得到图11所示的目标光脉冲序列，其重复周期为T₀/N，脉宽为Δt，重频为Nf₀，目标光脉冲序列为强度平整，重频倍增的光脉冲序列。

在一些实施例中，将目标光脉冲序列输入光放大器，调整目标光脉冲序列的功率，例如将图11显示的中目标光脉冲序列输入光放大器，得到图12显示的光脉冲序列。

在一些实施例中，步骤S20还包括：

步骤a，将所述初始光脉冲序列分为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

步骤b，生成与所述第一光脉冲序列对应的时钟信号，并根据所述时钟信号生成与所述第二光脉冲序列同步的二元码调制信号；

步骤c，根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列。

初始光脉冲序列进入分光器，被分成两路，即第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，第一光脉冲序列输入光电探测器，光电探测器生成与第一光脉冲序列对应的时钟信号，码型发生器根据时钟信号生成与第二光脉冲序列同步的二元码调制信号，电光调制器根据二元码调制信号调整第二光脉冲序列的幅度得到中间光脉冲序列。

在一些实施例中，步骤c之后，还包括：

步骤c1,根据所述中间光脉冲序列判断所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上未对准时，调整所述第二光脉冲序列的时延，直至生成所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上对准之后的中间光脉冲序列。

中间光脉冲序列可能会出现第二光脉冲序列和二元码调制信号在时域上未对准的情况，此时，光延迟线精确地调整第二光脉冲序列与二元码调制信号之间的时域位错，电光调制器输出第二光脉冲序列与二元码调制信号在时域上对准后的中间光脉冲序列。

本实施例通过根据预设重频和预设脉宽输出初始光脉冲序列，对初始光脉冲序列进行幅度调制，得到中间光脉冲序列，再将中间光脉冲序列输入色散介质，得到强度平整，重频倍增的目标光脉冲序列，实现了重频倍增的灵活调节。

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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种光脉冲序列重频倍增控制装置，其特征在于，包括：

脉冲激光源，用于产生具有预设重频和预设脉宽的初始光脉冲序列；

振幅调制模块，与所述脉冲激光源连接，用于对所述初始光脉冲序列的幅度进行调制，得到中间光脉冲序列；

色散介质，提供满足时域泰伯效应条件的色散值，并与所述振幅调制模块连接，用于将所述中间光脉冲序列转化成重频倍增的目标光脉冲序列，并输出所述目标光脉冲序列；

振幅调制模块包括：

分光器，与所述脉冲激光源连接，用于将所述初始光脉冲序列分为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

光电探测器，与所述分光器连接，用于生成与所述第一光脉冲序列对应的时钟信号；

码型发生器，与所述光电探测器连接，用于根据所述时钟信号生成与所述第二光脉冲序列同步的二元码调制信号；

电光调制器，分别与所述码型发生器和所述分光器连接，用于根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列；

所述电光调制器为单一电光调制器、马赫曾德尔调制器、IQ调制器、电光调制器组合中的一种；

所述电光调制器组合为光强度调制器和光相位调制器组合，其中，所述光强度调制器包括电吸收调制器或马赫曾德尔调制器；

所述中间脉冲序列，包括：

当重频倍增倍数N为2时，所述中间光脉冲序列中的振幅为C_n＝1(n＝1，2)，C_n＝-1(n＝3，4)，重复周期为4T₀；

当重频倍增倍数N大于或等于3时，所述中间光脉冲序列中的振幅为C₁＝1，C_n＝2/(2-N)(n＝2，3，…，N)，重复周期为NT₀；

所述T₀为重复周期，所述C_n表示第n个振幅系数。

2.根据权利要求1所述的一种光脉冲序列重频倍增控制装置，其特征在于，所述振幅调制模块还包括：

光延迟线，设置于所述分光器和所述电光调制器之间，用于当所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上未对准时，调整所述第二光脉冲序列的时延，以使所述第二光脉冲序列与所述二元码调制信号在时域上对准。

3.根据权利要求1所述的一种光脉冲序列重频倍增控制装置，其特征在于，所述光脉冲序列重频倍增控制装置还包括：

光放大器，与所述色散介质连接，用于调整所述目标光脉冲序列的功率，并输出调整后的所述目标光脉冲序列。

4.根据权利要求1所述的一种光脉冲序列重频倍增控制装置，其特征在于，所述脉冲激光源为主动或被动锁模激光器、无腔结构脉冲激光源、微环谐振腔中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种光脉冲序列重频倍增控制装置，其特征在于，所述色散介质为标准单模光纤介质、色散补偿光纤介质或啁啾布拉格光栅介质中的一种。

6.一种光脉冲序列重频倍增控制方法，其特征在于，所述光脉冲序列重频倍增控制方法的步骤包括：

根据预设重频和预设脉宽输出初始光脉冲序列；

对所述初始光脉冲序列进行幅度调制，得到中间光脉冲序列；

将所述中间光脉冲序列输入色散值满足时域泰伯效应条件的色散介质，以将所述中间光脉冲序列转化成重频倍增的目标脉冲序列，并输出所述目标光脉冲序列；

所述对所述初始光脉冲序列进行幅度调制，得到中间光脉冲序列的步骤包括：

将所述初始光脉冲序列分为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列；

生成与所述第一光脉冲序列对应的时钟信号，并根据所述时钟信号生成与所述第二光脉冲序列同步的二元码调制信号；

根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列；

所述中间脉冲序列，包括：

当重频倍增倍数N为2时，所述中间光脉冲序列中的振幅为C_n＝1(n＝1，2)，C_n＝-1(n＝3，4)，重复周期为4T₀；

当重频倍增倍数N大于或等于3时，所述中间光脉冲序列中的振幅为C₁＝1，C_n＝2/(2-N)(n＝2，3，…，N)，重复周期为NT₀；

所述T₀为重复周期，所述C_n表示第n个振幅系数。

7.根据权利要求6所述的一种光脉冲序列重频倍增控制方法，其特征在于，所述根据所述二元码调制信号调制所述第二光脉冲序列的幅度，得到中间光脉冲序列的步骤之后，还包括：

根据所述中间光脉冲序列判断所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上未对准时，调整所述第二光脉冲序列的时延，直至生成所述二元码调制信号与所述第二光脉冲序列在时域上对准之后的中间光脉冲序列。

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