一种基于布里渊随机光纤激光振荡的光速调控方法
阅读说明：本技术 一种基于布里渊随机光纤激光振荡的光速调控方法 (Light velocity regulating method based on Brillouin random fiber laser oscillation ) 是由 张亮 肖哲澜 裘增欢 张吉临 谢浩然 蒋义坤 于 2021-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于布里渊随机激光振荡的光群速度调控方法,基于布里渊随机光纤激光振荡装置实现快光及超光速传输,由两个光环形器、布里渊增益光纤和随机反馈介质构成半开放的环形腔,利用光纤介质中背向瑞利散射或弱光纤光栅阵列提供的分布式随机反馈取代传统固定共振腔中的单点镜面反馈,形成随机激光振荡,从而实现斯托克斯激光的单纵模运转,并对泵浦光信号产生反常色散和群速度加快效应,在超长距离上实现泵浦光信号群速度的光学调控。本发明不仅具有低阈值、室温下操作和工作在任意波长的优势,而且可实现在百米甚至千米量级超长光纤传输距离下的光速调控,在光纤传感及光通信传输方面具有良好的应用前景。(The invention relates to a light group velocity regulation and control method based on Brillouin random laser oscillation, which is characterized in that a Brillouin random fiber laser oscillation device is used for realizing fast light and super-fast light transmission, a semi-open annular cavity is formed by two optical circulators, Brillouin gain fibers and a random feedback medium, distributed random feedback provided by a back Rayleigh scattering or weak fiber grating array in the fiber medium is used for replacing single-point mirror feedback in a traditional fixed resonant cavity to form random laser oscillation, so that single longitudinal mode operation of Stokes laser is realized, abnormal dispersion and group velocity acceleration effects are generated on pumping light signals, and optical regulation and control of the group velocity of the pumping light signals are realized on super-long distance. The invention not only has the advantages of low threshold value, operation at room temperature and working at any wavelength, but also can realize the light speed regulation and control under the transmission distance of the ultra-long optical fiber with the magnitude of hundreds of meters or even kilometers, and has good application prospect in the aspects of optical fiber sensing and optical communication transmission.)
技术领域
本发明涉及非线性效应的光学调控技术，尤其涉及一种基于布里渊随机激光振荡的光速调控方法，主要利用布里渊随机光纤激光振荡在长距离光纤传输中实现光群速度的全光调控。
背景技术
光的群速度调控在全光通信领域、高灵敏度传感、光与物质的相互作用以及微波光子学领域都有着重要的应用前景。特别是快光技术在激光干涉仪、时间隐身和激光陀螺仪领域有着重要的应用价值。
基于光纤介质的群速度调控由于光纤本身损耗低、易于在光纤通信系统中兼容的优点而受到广泛关注。而光纤介质中的快慢光技术主要是通过不同的非线性效应来实现的，其中，基于受激布里渊散射效应的快慢光方案由于其阈值低、任意波长工作、在室温下可操作具有独特的优势。此前，利用受激布里渊散射效应实现光速调控的方法首先在布里渊光纤放大器结构中实现(参见Song,K.et al.Optics Express 13,82-88,2005)，然而基于放大器结构的方法实现群速度加快的效率较低，结构相对复杂。之后，基于单模光纤中布里渊激光振荡的方案被提出，因其自加快、低损耗、高效率的优势而受到瞩目。
目前，光纤中基于布里渊激光振荡的光速调控技术已经通过基于特种光纤、混合增益腔结构以及嵌入饱和吸收体结构的方法得以实现和进一步优化。
1.利用特种光纤实现基于布里渊激光振荡的光速调控技术(参见Deng,D.etal.IEEE Photonics Technology Letters 26,1758-1761,2014)，主要利用高非线性光纤、亚碲酸盐光纤等特殊光纤非线性系数高、纤芯直径小的特点，提高布里渊增益因子，使用特种光纤作为布里渊增益介质有助于实现更低阈值和更高效率的光群速度操控。
2.混合增益腔结构是指在布里渊光纤环形腔内嵌入一段由980nm泵浦激发的掺铒光纤作为辅助增益介质。(参见Gao,L.et al.Optics Letters 44,5097-5100,2019)受激布里渊散射产生的斯托克斯光在腔内传输过程中经过泵浦的掺铒光纤时会发生额外的受激辐射放大，通过调节980nm泵浦功率使得斯托克斯光增益进一步增加，从而增强布里渊泵浦光信号的布里渊损耗效应，实现泵浦光信号时间加快量的有效提高；掺铒光纤的引入还将有效降低出射斯托克斯激光的阈值，从而改善增益饱和的现象。最终相关实验利用加入泵浦的掺铒光纤的混合增益腔结构在2m长度的高非线性光纤中达到了444.4ns的时间提前量。
3.基于布里渊激光振荡的光群速度加快效率主要受到腔内激光纵模带来的带宽限制，为了保证斯托克斯单纵模激光输出，上述方法均采用短腔法，使用10米以下长度的光纤作为布里渊增益光纤，无法实现长距离光纤上的光速调控。为了克服快光的光纤传输距离限制，基于饱和吸收结构的单频激光技术被采用(参见Zhang,L.et al.Optics Letters40,4404-4407,2015)。该方法提出了在长的光纤环形腔中嵌入由环形器、耦合器和一段未泵浦的掺铒光纤构成的光纤饱和吸收体结构，通过调节光纤环中的偏振控制器，实在光纤环中双向传输的光信号形成稳定的驻波，从而形成一个弱耦合的布拉格动态光栅，起到抑制多纵模的作用，实现斯托克斯激光单纵模运转。最终实现500m高非线性光纤的长距离群速度调控。
在之前的研究中，基于布里渊激光振荡的光速调控方案都是基于固定闭合的激光共振腔实现的，然而固定的光纤共振腔不可避免地存在多纵模振荡，进而限制了光速调控的效率和传输距离。在长距离光纤传输中实现光速调控是该领域研究的重点方向，其中单纵模斯托克斯激光运转是突破光速调控距离限制的关键因素，虽然通过饱和吸收体结构可以限制相当一部分的多纵模，然而存在一定饱和效应，高功率条件下无法保证单纵模运转，群速度的加快量仍然会受限于激光多纵模振荡的影响。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于新型布里渊随机光纤激光振荡的光速调控方法，针对目前光速调控实验均基于固定激光共振腔方案，在距离因素上受到多纵模传输限制的根本问题，由两个光环形器、布里渊增益光纤和随机反馈介质构成半开放的环形腔，利用光纤介质中背向瑞利散射或者弱光纤光栅阵列提供的分布式随机反馈取代传统固定共振腔中的单点镜面反馈，形成随机激光振荡，从而实现斯托克斯激光的单纵模运转，并对泵浦光信号产生反常色散和群速度加快效应，打破长距离光纤传输中传统布里渊激光振荡的快光调控方案中多纵模斯托克斯激光振荡对于泵浦光群速度调控的限制，最终在超长距离上实现泵浦光信号群速度的光学调控。本发明基于布里渊散射的光速调控方法不仅具有低阈值、室温下操作和工作在任意波长的优势，而且可实现在百米甚至千米量级超长光纤传输距离下的光速调控，在光纤传感及光通信传输方面具有良好的应用前景。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于布里渊随机光纤激光振荡的光速调控方法，基于布里渊随机光纤激光振荡装置实现，其装置主要包括窄线宽激光器、电光调制器EOM、信号发生器、光放大器、第一光纤环形器、布里渊增益光纤、光纤耦合器、第二光纤环形器和随机反馈介质；光的群速度监测装置包括光电探测器PD和示波器，光速调控步骤如下：
a.窄线宽激光器发射出的光，进入电电光调制器EOM后受到调制，通过信号发生器调制产生不同频率、不同波形的信号光；
b.调制之后的信号光进入光放大器，放大器对光信号进行不同程度的功率放大，以得到不同平均功率下的信号光；
c.放大器输出的光信号将作为布里渊泵浦光，通过第一光纤环形器的①至②端口进入一段光纤中传输，同时也激发光纤中的受激布里渊散射效应；
d.受到布里渊增益谱带宽的限制，信号光的调制情况对光群速度的加快程度产生影响，在同一正弦调制波形的情况下，调制频率不同，对应的光群速度的加快量也不同；
e.在其他条件不变的情况下，当设置的调制频率越小的时候，监测到的时域波形的时间提前量越大，对应的群速度的加快量也越大。
优选地，在半开放的光纤环形腔中，泵浦光信号进入到布里渊增益光纤，同时这段光纤作为传输媒介；由于布里渊随机光纤激光振荡装置本身具有的单纵模激光运转的天然优势，其传输距离可以达到百米甚至千米的量级。
优选地，在增益光纤中受激产生的斯托克斯光将沿着反方向传输，经由第一光纤环形器的②至③端口，进入到第二光纤环形器中，并通过第二光纤环形器的①至②端口进入到随机反馈介质中，反馈介质将提供分布式随机反馈，反馈光通过第二光纤环形器的②至③端口重新回到环形腔内，经由光纤耦合器之后重新进入到增益光纤中，参与到与泵浦光的受激布里渊散射的过程当中；反馈介质用来提供随机的分布式反馈，代替传统的单点镜面反射，选用普通光纤中瑞利散射或者弱光纤光栅阵列提供分布式的随机反馈，实现随机振荡。
优选地，泵浦光信号在经历布里渊散射导致的损耗后产生反常色散区，进而改变其光群速度，调制的光信号传输通过增益光纤后，其通过光纤耦合器从半开放环形腔内输出，通过光电探测器PD转换为电信号并由示波器进行监测，通过读取示波器上不同泵浦功率下同一周期内信号波峰的时间位置点，来计算相应的时间提前量，从而表征光群速度的加快程度。
优选地，光纤耦合器在装置中的作用主要是输出并监测的信号光，选用分光比为10/90的2×2耦合器，两边90％的端口接在半开放的环形腔当中，使得大部分斯托克斯光仍能够在光纤腔内传输，保证腔内的斯托克斯激光功率。还可选用其他分光比的耦合器进行操作。
优选地，激光源发射出的光，进入电光调制器EOM后受到调制，通过信号发生器产生不同频率、不同波形信号对光进行相应的调制。调制之后的光进入光放大器，放大器对光信号进行不同程度的功率放大，以便得到最后不同功率下的输出信号光波形。放大器输出的光信号将作为泵浦信号光进入半开放的环形腔中。通过第一光纤环形器的①至②端口，泵浦信号光进入到布里渊增益光纤中，同时这段光纤也将作为传输媒介；而在增益光纤中受激产生的Stokes光将沿着反方向传输，经由第一光纤环形器的②至③端口，进入到第二光纤环形器中，并通过第二光纤环形器的①至②端口进入到反馈介质中，反馈介质将提供分布式随机反馈光，反馈光反向传输，通过第二光纤环形器的②至③端口重新回到环形腔内，经由耦合器之后重新进入到布里渊增益光纤中，参与到受激布里渊散射的过程当中。泵浦光信号在发生布里渊散射后将经历反常色散，传输通过增益光纤后，通过耦合器从半开放环形腔内输出，通过光电探测器PD转换为电信号并由示波器进行监测。
优选地，信号光的时间提前量会受到调制条件的影响，在同一调制波形的情况下，调制频率不同，群速度的加快量也会不同。一般来说，当设置的调制频率越小的时候，监测到的时域波形的时间提前量越大，对应的群速度的加快量也越大。
优选地，布里渊增益介质的长度，由于布里渊随机激光振荡装置单频激光输出的优势，可选用百米至千米级别长度的光纤，从而实现长距离的光速调控。光纤的性质对于群速度的加快程度也有着影响，理论上，纤芯半径越小，布里渊增益系数越高的光纤作为增益介质在其他条件一定的情况下可以提供更大的时间提前量以及群速度加快量。
优选地，反馈介质用来提供随机反馈，可选用百米长度以上的光纤提供瑞利散射反馈或者弱光纤光栅阵列等随机反馈介质提供分布式随机反馈。
优选地，基于布里渊随机光纤振荡的快光调控方法，以布里渊随机激光振荡装置为基础，它打破了传统的激光振荡装置具有固定的共振腔导致多纵模激光的情况。随机激光器的输出具有特定的统计特性且具有天然的单模传输的特性，可实现超长距离上的光群速度全光调控。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明基于布里渊随机激光振荡的光群速度调控方法。本方法其主要基于布里渊随机光纤激光振荡装置实现快光及超光速传输，所述的装置基本包括：激光源、电光调制器、信号发生器、光环形器、光纤和耦合器；本发明特点是：由两个光环形器、布里渊增益光纤和随机反馈介质构成半开放的环形腔，利用光纤介质中背向瑞利散射或者弱光纤光栅阵列提供的分布式随机反馈取代传统固定共振腔中的单点镜面反馈，形成随机激光振荡，从而实现斯托克斯激光的单纵模运转，并对泵浦光信号产生反常色散和群速度加快效应，打破长距离光纤传输中传统布里渊激光振荡的快光调控方案中多纵模斯托克斯激光振荡对于泵浦光群速度调控的限制，最终在超长距离上实现泵浦光信号群速度的光学调控；
2.本发明基于布里渊散射的光速调控方法不仅具有低阈值、室温下操作和工作在任意波长的优势，而且可实现在百米甚至千米量级超长光纤传输距离下的光速调控，在光纤传感及光通信传输方面具有良好的应用前景；
3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明的一个基于布里渊单模随机光纤激光器的快光调控方法的系统展示图。
图2为本发明的一个基于布里渊保偏随机光纤激光器的快光调控方法的系统展示图。
图3为本发明的一个基于布里渊混合增益腔的随机光纤激光器的快光调控方法的系统展示图。
附图中标号具体表示为：1、窄线宽激光器；2、电光调制器；3、信号发生器；4、掺铒光纤放大器；5、第一光环形器；6、增益光纤；7、光耦合器；8、第二光环形器；9、反馈介质；10、光电探测器；11、示波器；12、光偏振控制器；13、光分束器；14、泵浦的掺铒光纤。
具体实施方式
以下将结合附图中的实施案例，详细地解释本发明中的技术方法。但是本发明并不局限于下述的具体实施方式。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种基于布里渊随机光纤激光振荡的光速调控方法，基于布里渊随机光纤激光振荡装置实现，其装置主要包括窄线宽激光器1、电光调制器EOM2、信号发生器3、光放大器4、第一光纤环形器5、布里渊增益光纤6、光纤耦合器7、第二光纤环形器8和随机反馈介质9；光的群速度监测装置包括光电探测器PD10和示波器11,光速调控步骤如下：
a.窄线宽激光器1发射出的光，进入电电光调制器EOM2后受到调制，通过信号发生器3调制产生不同频率、不同波形的信号光；
b.调制之后的信号光进入光放大器4，放大器对光信号进行不同程度的功率放大，以得到不同平均功率下的信号光；
c.放大器输出的光信号将作为布里渊泵浦光，通过第一光纤环形器5的①至②端口进入一段光纤中传输，同时也激发光纤中的受激布里渊散射效应；
d.受到布里渊增益谱带宽的限制，信号光的调制情况对光群速度的加快程度产生影响，在同一正弦调制波形的情况下，调制频率不同，对应的光群速度的加快量也不同；
e.在其他条件不变的情况下，当设置的调制频率越小的时候，监测到的时域波形的时间提前量越大，对应的群速度的加快量也越大。
本发明基于布里渊散射的光速调控方法不仅具有低阈值、室温下操作和工作在任意波长的优势，而且可实现在百米甚至千米量级超长光纤传输距离下的光速调控，在光纤传感及光通信传输方面具有良好的应用前景。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在半开放的光纤环形腔中，泵浦光信号进入到布里渊增益光纤6，同时这段光纤作为传输媒介；由于布里渊随机光纤激光振荡装置本身具有的单纵模激光运转的天然优势，其传输距离可以达到百米甚至千米的量级。
在本实施例中，在增益光纤中受激产生的斯托克斯光将沿着反方向传输，经由第一光纤环形器5的②至③端口，进入到第二光纤环形器8中，并通过第二光纤环形器8的①至②端口进入到随机反馈介质9中，反馈介质将提供分布式随机反馈，反馈光通过第二光纤环形器8的②至③端口重新回到环形腔内，经由光纤耦合器7之后重新进入到增益光纤6中，参与到与泵浦光的受激布里渊散射的过程当中；反馈介质9用来提供随机的分布式反馈，代替传统的单点镜面反射，选用普通光纤中瑞利散射或者弱光纤光栅阵列提供分布式的随机反馈，实现随机振荡。
在本实施例中，泵浦光信号在经历布里渊散射导致的损耗后产生反常色散区，进而改变其光群速度，调制的光信号传输通过增益光纤6后，其通过光纤耦合器7从半开放环形腔内输出，通过光电探测器PD10转换为电信号并由示波器11进行监测，通过读取示波器11上不同泵浦功率下同一周期内信号波峰的时间位置点，来计算相应的时间提前量，从而表征光群速度的加快程度。
在本实施例中，光纤耦合器在装置中的作用主要是输出并监测的信号光，选用分光比为10/90的2×2耦合器，两边90％的端口接在半开放的环形腔当中，使得大部分斯托克斯光仍能够在光纤腔内传输，保证腔内的斯托克斯激光功率。
本实施例基于布里渊随机激光振荡的光群速度调控方法。本方法其主要基于布里渊随机光纤激光振荡装置实现快光及超光速传输，所述的装置基本包括：激光源、电光调制器、信号发生器、光环形器、光纤和耦合器；本实施例方法特点是：由两个光环形器、布里渊增益光纤和随机反馈介质构成半开放的环形腔，利用光纤介质中背向瑞利散射或者弱光纤光栅阵列提供的分布式随机反馈取代传统固定共振腔中的单点镜面反馈，形成随机激光振荡，从而实现斯托克斯激光的单纵模运转，并对泵浦光信号产生反常色散和群速度加快效应，打破长距离光纤传输中传统布里渊激光振荡的快光调控方案中多纵模斯托克斯激光振荡对于泵浦光群速度调控的限制，最终在超长距离上实现泵浦光信号群速度的光学调控。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图1所示，是基于布里渊随机单模光纤激光振荡的光速调控方案，包括：1、1550nm窄线宽激光器；2、电光调制器；3、信号发生器；4、掺铒光纤放大器；5、第一单模光纤环形器；6、500m长单模光纤；7、分光比为10/90的单模耦合器；8、第二单模光纤环形器；9、1km长单模光纤；10、光电探测器；11、示波器。
20kHz窄线宽激光器发出1550nm的激光，经过电光调制器后调制上100kHz的正弦波形，经过EDFA不同程度的功率放大后，通过第一光环形器的①至②端口进入到布里渊增益光纤中。当没有受激布里渊散射效应发生的时候，光束通过光纤的传输时间为：
其中，L为增益光纤的长度，c为真空中光的光速，ng为由原始光纤材料性质决定的群折射率。
随着不断调节掺铒光纤放大器使得泵浦信号光的功率不断增大，超过受激布里渊散射阈值时，在光纤介质内将会发生受激布里渊散射现象，受激产生的Stokes光反向传输并进入到另一段光纤当中发生瑞利散射，瑞利散射光随后重新回到半开放的环形腔当中，进入到增益光纤当中参与布里渊激光共振的过程。而根据Kramers-Kronig关系，共振的吸收或损耗会影响折射率的变化，进而影响群折射的变化。因此，随着受激布里渊散射的发生，光束通过光纤的传输时间发生改变：
其中，L仍为增益光纤的长度，c为真空中光的光速，ng′为受激布里渊散射发生后对应的群折射率。
通过示波器可以监测输出信号光的波形。通过在示波器上读取的同一个周期内正弦波波峰所在的时间位置，则可以计算出光束在光纤中传播时间的差值，称之为时间提前量：
根据时间提前量，可以计算出当前泵浦功率下对应的信号光的群折射率以及群速度：
因此，通过调节掺铒光纤放大器就可以相应读取不同泵浦功率下的时间提前量。时间提前量越大，群速度的加快程度也越大。此外，时间提前量还会受到其他因素的限制，其决定公式如下所示：
其中，G为布里渊增益，ΓB表示布里渊增益带宽，IS表示斯托克斯光的能量，L为增益光纤的长度，g代表布里渊增益系数，PS代表斯托克斯光功率，Aeff则为光纤的有效模场面积。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，群速度加快程度与光纤激光振荡的稳定性能有着直接的关系。如图2所示，是基于布里渊随机保偏光纤激光器的光速调控方案，包括：1、1550nm窄线宽激光器；2、电光调制器；3、信号发生器；4、掺铒光纤放大器；5、第一保偏光环形器；6、500m长度的保偏光纤；7、分光比为10/90的保偏光纤耦合器；8、第二保偏光纤环形器；9、1km长度的保偏光纤；10、光电探测器；11、示波器；12、光偏振控制器；13、光分束器。
图2构建的是一个全保偏腔结构的布里渊随机光纤激光器，从掺铒光纤放大器射出的泵浦信号光通过光偏振控制器调节偏振的方向，并用偏振光分束器进行监测，当大部分功率对准在光分束器的慢轴的时候，我们将分束器慢轴输出的线偏光作为泵浦信号光。
由于在全保偏结构中，泵浦光和斯托克斯激光可以维持其偏振特性，当两束光的偏振匹配的时候可以提供最优化的布里渊增益，从而提高时间提前量，提高光群速度的调控程度。
实施例五：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图3所示，在例2全保偏的随机激光基础上在腔内加入了掺饵光纤增益，总体包括：1、1550nm窄线宽激光器；2、电光调制器；3、信号发生器；4、掺铒光纤放大器；5、第一保偏光环形器；6、500m长度的保偏光纤；7、分光比为10/90的保偏耦合器；8、第二保偏光环形器；9、1km长度的保偏光纤；10、光电探测器；11、示波器；12、光偏振控制器；13、光分束器；14、泵浦的掺铒光纤。其中泵浦的掺铒光纤包括：15、波分复用器WDM；16、980nm泵浦源；17、8m长的掺铒光纤。
在泵浦的掺铒光纤部分，980nm泵浦激发的掺铒光纤作为增益介质。当Stokes激光进入该部分时，会发生受激辐射放大，使得功率增益增加，从而增强增益光纤内的受激布里渊散射过程，从提高斯托克斯腔内激光功率的方向实现基于布里渊随机激光振荡的光速度调控程度的优化。
上述实施例基于布里渊随机激光振荡的光群速度调控方法。本方法其主要基于布里渊随机光纤激光振荡装置实现快光及超光速传输，所述的装置基本包括：激光源、电光调制器、信号发生器、光环形器、光纤和耦合器。上述实施例特点是：由两个光环形器、布里渊增益光纤和随机反馈介质构成半开放的环形腔，利用光纤介质中背向瑞利散射或者弱光纤光栅阵列提供的分布式随机反馈取代传统固定共振腔中的单点镜面反馈，形成随机激光振荡，从而实现斯托克斯激光的单纵模运转，并对泵浦光信号产生反常色散和群速度加快效应，打破长距离光纤传输中传统布里渊激光振荡的快光调控方案中多纵模斯托克斯激光振荡对于泵浦光群速度调控的限制，最终在超长距离上实现泵浦光信号群速度的光学调控。上述实施例基于布里渊散射的光速调控方法不仅具有低阈值、室温下操作和工作在任意波长的优势，而且可实现在百米甚至千米量级超长光纤传输距离下的光速调控，在光纤传感及光通信传输方面具有良好的应用前景。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
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