一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统

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[0001][0002]
本发明属于光电信息编码技术领域，特别是涉及一种基于氧化石墨烯可饱和吸收体的双向锁模光纤激光器的信息编码系统及方法。

背景技术：

[0003][0004]
光纤激光器效率高，散热特性好，结构紧凑，稳定性高，且输出的光束质量高，在科学研究与工业应用有着极其重要的应用。作为优质且稳定的超快脉冲光源，借助被动锁模技术，利用可饱和吸收体的非线性吸收特性调节谐振腔内的损耗，锁模光纤激光器能够容易地实现飞秒级别(10-15
秒)的超快脉冲激光输出，因而在光通信领域还具有不少潜在应用。
[0005]
双向锁模光纤激光器具有高稳定性、结构紧凑、高稳定性等优点，近年来国内外许多学者在双向锁模光纤激光器多孤子态现象方面的研究取得了突破，然而针对双向锁模光纤激光器在光通信领域的应用研究很少。除此之外，目前的研究普遍采用碳纳米管作为双向锁模光纤激光器的可饱和吸收器件，然而碳纳米管相比其他锁模材料造价成本较高，且工艺复杂，提高了设备制造成本，限制了其被广泛应用。

技术实现要素：

[0006]
针对现有技术的以上改进需求，本发明提供了一种基于双向锁模光纤激光器的信息传输及编码系统。本发明首次在双向激光器中使用氧化石墨烯薄膜作为可饱和吸收体，该材料具有超快载流子弛豫和较大的光学非线性，具有超快光子的潜力，可以通过改进的hummers方法在工业上大规模生产，制备成本较低。本发明无需外部信号的调制干预，降低了系统设计成本，且操作更为简便。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0008]
一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，包括：脉冲信号发射模块、时延刻度调节模块、信号处理系统；
[0009]
所述脉冲信号发射模块用于产生基本锁模信号，包括顺时针与逆时针两路双向锁模信号；
[0010]
所述时延刻度调节模块用于调制脉冲信号发射模块输出的双向基本锁模脉冲，对顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟做可控调整；
[0011]
所述信号处理系统接收由时延刻度调节模块调制后的输出信号，并经系统处理后进行编码；
[0012]
优选地，所述脉冲信号发射模块包括：激光二极管泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、2
×
2光耦合器、可饱和吸收体；
[0013]
优选地，所述时延刻度调节模块包括顺时针光路单元与逆时针调制光路单元，所
述逆时针光路单元包括：第一偏振无关隔离器，所述顺时针调制光路单元包括：第二偏振无关隔离器、第一光耦合器、第一时延调制器、第二时延调制器、第二光耦合器；
[0014]
优选地，所述信号处理系统包括：光电探测器、示波器、电脑端数据编码系统；
[0015]
所述激光二极管泵浦源与所述波分复用器的第一端口连接；所述波分复用器的第三端口与所述增益光纤连接；所述增益光纤与所述偏振控制器连接；所述偏振控制器与所述2
×
2光耦合器的第一端口连接，所述2
×
2光耦合器的第二端口与所述可饱和吸收体相连；所述可饱和吸收体与所述波分复用器的第二端口连接；
[0016]
优选地，所述增益光纤为低掺杂掺铒光纤；
[0017]
所述偏振控制器用于调节光纤双折射效应与腔内光束偏振态，使腔内散与非线性效应达到平衡以产生初始锁模脉冲信号。
[0018]
所述逆时针光路单元按2
×
2光耦合器的第三端口、第一偏振无关隔离器、第三光耦合器的第一端口顺序连接；
[0019]
所述2
×
2光耦合器的第四端口与所述顺时针调制光路单元的第二偏振无关隔离器连接；所述第二偏振无关隔离器与所述第一光耦合器的第一端口连接；所述第一光耦合器的第二端口与所述第一时延调制器连接；所述第一光耦合器的第三端口与所述第二时延调制器连接；所述第一时延调制器与所述第二光耦合器的第一端口连接；所述第二时延调制器与所述第二光耦合器的第二端口连接；所述第二光耦合器的第三端口与所述第三光耦合器的第二端口连接；
[0020]
所述第一时延调制器与所述第二时延调制器均为长度可调单模光纤；
[0021]
所述第一时延调制器与所述第二时延调制器用于调制顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟。
[0022]
所述光电探测器与所述时延刻度调节模块中第三光耦合器的第三端口连接；所述示波器与所述光电探测器连接；所述电脑端数据编码系统与所述示波器连接；
[0023]
所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号输出至示波器；
[0024]
所述示波器用于记录双向锁模脉冲信号的相对时延位置，并将电信号转化为数据格式传输至电脑端数据编码系统；
[0025]
所述电脑端数据编码系统用于接收由示波器传输的数据文件，经系统处理后将对应的信号数据转为编码文字。
[0026]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0027]
1、本发明提供的基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统由脉冲信号发射模块、时延刻度调节模块及信号处理系统构成完整系统，脉冲信号发射模块产生基本锁模信号，包括一路逆时针与两路顺时针双向锁模信号，经由时延刻度调节模块调制脉冲信号发射模块输出的双向基本锁模脉冲，对顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟做可控调整，产生一路主脉冲与两路具有可分辨性的副脉冲，最终由信号处理系统接收由时延刻度调节模块调制且转换为数据格式的输出信息，并经系统处理后进行编码。
[0028]
2、本发明的脉冲信号发射模块由全光纤激光器构成，通过光纤熔接的办法使整个激光谐振腔形成一个整体，无需任何外部器件，具有光束质量好，抗电磁干扰，结构简单、紧凑，泵浦光的耦合效率高，稳定性好，成本低廉和可实现性高多种特点。
[0029]
3、脉冲信号发射模块中被动锁模双向激光器的可饱和吸收体采用氧化石墨烯薄膜，材料制备更简单，实现成本更低。
[0030]
4、双向传输，灵活多用，双向锁模光纤激光器作为多功能复用激光器在光纤通信领域有许多潜在应用。
附图说明
[0031]
图1是本发明较佳实施例中一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统完整结构示意图。
[0032]
图2是本发明较佳实施例中一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码方法原理图。
[0033]
图3是本发明较佳实施例中一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码规则示意图。
[0034]
图4是具体实例中电脑端数据编码系统界面最终显示示意图。
[0035]
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的原件或结构，其中：
[0036]
1、脉冲信号发射模块；2、激光二极管泵浦源；3、波分复用器；4、增益光线；5、偏振控制器；6、2
×
2光耦合器；7、氧化石墨烯可饱和吸收体； 8、时延刻度调节模块；9、第一偏振无关隔离器；10、第二偏振无关隔离器； 11、第一光耦合器；12、第一时延调制器；13、第二时延调制器；14、第二光耦合器；15、第三光耦合器；16、信号处理系统；17、光电探测器；18、示波器；19、电脑端数据编码系统。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间为构成冲突就可以相互组合。
[0038]
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
[0039]
本发明提供一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，该方法首次在双向激光器中使用氧化石墨烯薄膜作为可饱和吸收体，无需外部信号的调制干预，降低了系统设计成本，且操作更为简便。
[0040]
如图1所示为本发明实施例提供的一种信息编码系统结构示意图，包括：脉冲信号输出模块1、时延刻度调节模块8和信息处理系统16。
[0041]
脉冲信号发射模块1用于产生基本锁模信号，包括顺时针与逆时针双向锁模信号。
[0042]
时延刻度调节模块8用于调制脉冲信号发射模块输出的双向基本锁模脉冲，利用第一时延调制器12与第二时延调制器13对顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟做可控调整。
[0043]
信号处理系统16接收由时延刻度调节模块8调制后的输出信号，并经系统处理后进行编码。
[0044]
其中，脉冲信号发射模块1包括：激光二极管泵浦源2、波分复用器3、增益光线4、偏
振控制器5、2
×
2光耦合器6和氧化石墨烯可饱和吸收体7。
[0045]
时延刻度调节模块8包括顺时针光路单元与逆时针调制光路单元，所述逆时针光路单元包括：第一偏振无关隔离器9，所述顺时针调制光路单元包括：第二偏振无关隔离器10、第一光耦合器11、第一时延调制器12、第二时延调制器13和第二光耦合器14。
[0046]
信号处理系统16包括：光电探测器17、示波器18和电脑端数据编码系统19。
[0047]
所述激光二极管泵浦源2与所述波分复用器3的第一端口3a连接；所述波分复用器3的第三端口3c与所述增益光纤4连接；所述增益光线4与所述偏振控制器5连接；所述偏振控制器5与所述2
×
2光耦合器6的第一端口6a连接，所述2
×
2光耦合器6的第二端口6b与所述氧化石墨烯可饱和吸收体7相连；所述氧化石墨烯可饱和吸收体与7所述波分复用器3的第二端口3b连接。
[0048]
增益光纤4采用低掺杂掺铒光纤，用于吸收泵浦光能量，通过受激辐射光放大效应，为激光脉冲提供增益。
[0049]
偏振控制器5用于调节光纤双折射效应与腔内光束偏振态，使腔内散与非线性效应达到平衡以产生初始锁模脉冲信号。
[0050]
氧化石墨烯可饱和吸收体7用于实现双向锁模脉冲运转。其具有非线性可饱和吸收性质，能够为激光器引入锁模机制，从而输出本发明需要的锁模脉冲激光。
[0051]2×
2光耦合器6的第三端口6c与逆时针光路单元第一偏振无关隔离器 9连接；第一偏振无关隔离器9与第三光耦合器15的第一端口15a连接。
[0052]2×
2光耦合器6的第四端口6d与顺时针调制光路单元的第二偏振无关隔离器10连接；第二偏振无关隔离器10与第一光耦合器11的第一端口 11a连接；第一光耦合器11的第二端口11b与第一时延调制器12连接；第一光耦合器11的第三端口11c与第二时延调制器13连接；第一时延调制器12与第二光耦合器14的第一端口14a连接；第二时延调制器与13第二光耦合器的14第二端口14b连接；第二光耦合器的14第三端口14c与第三光耦合器15的第二端口15b连接。
[0053]
第一时延调制器12与第二时延调制器13均为长度可调单模光纤，用于调制顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟，通过对单模光纤的长度调制，可以对锁模脉冲在时域上进行相应的时延调制。
[0054]
光电探测器17与时延刻度调节模块8中第三光耦合器15的第三端口 15c连接；示波器18与光电探测器17连接；电脑端数据编码系统19与示波器18连接。
[0055]
光电探测器17用于将接收到的光信号转化为电信号输出至示波器18。
[0056]
示波器18用于记录双向锁模脉冲信号的相对时延位置，并将检验后的电信号转化为数据格式传输至电脑端数据编码系统19。
[0057]
电脑端数据编码系统19用于接收由示波器传输的数据文件，经系统处理后将对应的信号数据转为编码文字。
[0058]
如图2所示为本发明提供的基于双向锁模光纤激光器的信息编码方法原理图，包括：
[0059]
20，通过第一时延调制器12与第二时延调制器13产生经调制后的在时域上具有可控相对时延的双向锁模孤子脉冲。
[0060]
20具体包括：改变接入顺时针调制光路单元的第一时延调制器12与第二时延调制
器13，使得顺时针调制光路单元产生的锁模脉冲与逆时针光路单元产生的锁模脉冲在时域上具有相对的、可控的时延。
[0061]
21，脉冲序列刻度图。
[0062]
21具体包括：通过光电探测器17将顺时针调制光路单元产生的锁模脉冲与逆时针光路单元产生的锁模脉冲在时域上产生的相对时延由光信号转为电信号，并输出到示波器18上显示出具有对应的可分辨脉冲序列刻度。
[0063]
如图3所示为本发明提供的基于双向锁模光纤激光器的信息编码规则示意图，包括：
[0064]
22，一种刻度转化为字符的实例。
[0065]
22具体包括：所述脉冲序列刻度图（21）所示的两格副刻度刻度分别为“1-6”(左1)、“2-6”(左2)、“3-6”(左3)、“4-6”(左4)、“5-6”(左 5)、“1-6”(右1)、“1-7”(右2)、“1-8”(右3)、“1-9”(右4)和“1-10
”ꢀ
(右5)。分别对应字符“b”、“g”、“l”、“q”、“v”、“b”、“c”、“d”、“e”和“f”。以此类推，所述基于双向锁模光纤激光器的信息编码规则共可得到 25种副刻度排列组合。
[0066]
23，一种完整的信息编码规则，电脑端数据编码系统19自动利用所述信息编码规则分析处理后的信号数据，将刻度编码转为文字信息显示。
[0067]
23具体包括：示波器18读取脉冲信号，根据脉冲强度幅值将脉冲信号区分为一路主脉冲与两路副脉冲，并将脉冲信号处理为数据文件传输到电脑端数据编码系统19，电脑端数据编码系统19自动根据脉冲强度幅值将脉冲信号区分出的一路主脉冲(cw)与两路副脉冲(ccw1、ccw2)信号，并进行归一化处理，将大于或等于第一阈值(0.9)的信号转化为对应的一格主刻度，将大于或等于第二阈值(0.2)的信号转化为两格副刻度，归一化的信号被绘制成脉冲序列图显示在界面上，根据信息编码规则确定文字信息，与脉冲序列图共同显示在界面上。根据所述信息编码规则23，将仅有主脉冲cw的刻度编码为字符“a”；将ccw1脉冲固定于副刻度1位置，ccw2脉冲分别位于副刻度“6”至副刻度“10”的刻度编码为字符“b”、“c”、“d”、“e”、“f”；将ccw1脉冲固定于副刻度2位置，ccw2脉冲分别位于副刻度“6”至副刻度“10”的刻度编码为字符“g”、“h”、“i”、“j”、“k”；将ccw1脉冲固定于副刻度3位置，ccw2脉冲分别位于副刻度“6”至副刻度“10”的刻度编码为字符“l”、“m”、“n”、“o”、“p”；将ccw1脉冲固定于副刻度4位置，ccw2脉冲分别位于副刻度“6”至副刻度“10”的刻度编码为字符“q”、“r”、“s”、“t”、“u”；将ccw1脉冲固定于副刻度 5位置，ccw2脉冲分别位于副刻度“6”至副刻度“10”的刻度编码为字符“v”、“w”、“x”、“y”、“z”。
[0068]
如图4示为一个具体实施例的示意图。
[0069]
作为一个具体实施例，图4所示的是“激光”的英文单词拼写”laser”的脉冲序列。图4为电脑端数据编码系统显示界面，包括：信息显示界面 23、第一归一化脉冲序列图（24）、第二归一化脉冲序列图（25）、第三归一化脉冲序列图（26）、第四归一化脉冲序列图（27）、第五归一化脉冲序列图（28）、第六归一化脉冲序列图（29）、第一文字信息30、第二文字信息31、第三文字信息 32、第四文字信息33、第五文字信息34、第六文字信息35、启动按钮36 和总编码输出结果37。
[0070]
图4中第一归一化脉冲序列图（24）、第二归一化脉冲序列图（25）、第三归一化脉冲序列图（26）、第四归一化脉冲序列图（27）和第五归一化脉冲序列图（28）显示，脉冲序列根
据强度峰值分为一个主峰与两个副峰，当归一化后的脉冲强度幅值超过第一阈值(0.9)则判定为主峰，对应的编码刻度为主刻度，当归一化后的脉冲强度幅值超过第二阈值(0.2)，则判定为副峰，对应的编码刻度为副刻度。归一化后的脉冲序列图显示的副峰相对主峰的时延可直接被电脑端数据编码系统19识别为相应刻度，时延的长短对应刻度的大小，时延每达到5ns，系统判定刻度向高位加一。电脑端数据编码系统判定第一归一化脉冲序列图（24）副峰相对主峰时延对应的副刻度为“3-6”，第二归一化脉冲序列图（25）仅有主峰，第三归一化脉冲序列图（26）副峰相对主峰时延对应的副刻度为“4-8”，、第四归一化脉冲序列图（27）副峰相对主峰时延对应的副刻度为“1-9”，第五归一化脉冲序列图（28）副峰相对主峰时延对应的副刻度为“4-7”，对应得到的第一文字信息30 为“3-6:l”、第二文字信息31为“a”、第三文字信息32“4-8:s”、第四文字信息33为“1-9:e”、第五文字信息34为“4-7:r”。总编码输出结果37为“laser”。
[0071]
图4中第一归一化脉冲序列图（24）、第二归一化脉冲序列图（25）、第三归一化脉冲序列图（26）、第四归一化脉冲序列图（27）和第五归一化脉冲序列图（28）均显示出了除一个主峰和两个副峰外的额外峰，额外峰为锁模脉冲无法避免的干扰峰，可通过系统功能直接排除额外峰的干扰。
[0072]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0073]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，其特征在于，包括：脉冲信号发射模块1、时延刻度调节模块8和电脑端数据编码系统16，其中，所述脉冲信号发射模块1与所述时延刻度调节模块8连接；所述时延刻度调节模块8与所述电脑端数据编码系统16连接；所述脉冲信号发射模块1用于产生基本锁模信号，包括顺时针与逆时针双向锁模信号；所述时延刻度调节模块8用于调制脉冲信号发射模块输出的双向基本锁模脉冲，对顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟做可控调整；所述信号处理系统16接收由时延刻度调节模块8调制后的输出信号，并经系统处理后进行编码。2.根据权利要求1所述的一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，其特征在于，所述脉冲信号发射模块包括：激光二极管泵浦源2、波分复用器3、增益光线4、偏振控制器5、2
×
2光耦合器6、可饱和吸收体7；所述激光二极管泵浦源2与所述波分复用器3连接；所述波分复用器3与所述增益光线4连接；所述增益光线4与所述偏振控制器5连接；所述偏振控制器5与所述2
×
2光耦合器6的第一端口6a连接；所述2
×
2光耦合器6的第二端口6b与所述可饱和吸收体7连接；所述可饱和吸收体7为氧化石墨烯/聚乙烯醇薄膜，具有非线性可饱和吸收性质，能够为激光器引入锁模机制，具有制备工艺简单，成本低廉的特点。3.根据权利要求1所述的一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，其特征在于，所述时延刻度调节模块8包括：第一偏振无关隔离器9、第二偏振无关隔离器10、第一光耦合器11、第一时延调制器12、第二时延调制器13、第二光耦合器14、第三光耦合器15；所述第一偏振无关隔离器9分别与所述2
×
2光耦合器6的第三端口6c与所述第三光耦合器15的第一端口15a连接；所述第二偏振无关隔离器10分别与所述2
×
2光耦合器6的第四端口6d与所述第一光耦合器15的第一端口11a连接；所述第一光耦合器11的第二端口11b与所述第一时延调制器12连接；所述第一光耦合器11的第三端口11c与所述第二时延调制器13连接；所述第一时延调制器12与所述第二光耦合器14的第一端口14a连接；所述第二时延调制器13与所述第二光耦合器14的第二端口14b连接；所述第二光耦合器14的第三端口14c与所述第三光耦合器的第二端口15b连接；所述第三光耦合器15的第一端口15a与第二端口15b用于连接所述时延刻度调节模块8的逆时针光路单元与顺时针调制光路单元，并通过所述第三光耦合器15的第三端口15c输出调制后的光信号。4.根据权利要求3所述的一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，其特征在于，所述第一时延调制器12与所述第二时延调制器13均为长度可调单模光纤。5.根据权利要求1所述的一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统，其特征在于，所述信号处理系统16包括：光电探测器17、示波器18、电脑端数据编码系统19；所述光电探测器17分别和所述第三光耦合器15的第三端口15c与所述示波器18连接；所述示波器18与所述电脑端数据编码系统19连接；所述光电探测器17用于将接收的矢量脉冲信号转换为电信号传递到示波器18；所述示波器18用于记录双向锁模脉冲信号的相对时延位置，并将电信号转化为数据格式传输至电脑端数据编码系统19；
所述电脑端数据编码系统19用于接收由示波器18传输的数据文件，经系统处理后将对应的信号数据转为编码文字。

技术总结

本发明涉及一种基于双向锁模光纤激光器的信息编码系统。该系统包括脉冲信号发射模块、时延刻度调节模块和信号处理系统；所述脉冲信号发射模块用于产生基本锁模信号，包括顺时针与逆时针两路双向锁模信号；所述时延刻度调节模块用于调制脉冲信号发射模块输出的双向基本锁模脉冲，对顺时针脉冲信号与逆时针脉冲信号在时域上的相对延迟做可控调整；所述信号处理系统接收由时延刻度调节模块调制后的输出信号，并经系统处理后进行编码。本发明首次将氧化石墨烯/聚乙烯醇薄膜作为可饱和吸收体插入双向激光器中以实现锁模，具有成本低廉，制作工艺方便的特点；本发明采用全光纤结构，无需外部信号进行调制，具有流程步骤简单和操作方便的特点。和操作方便的特点。和操作方便的特点。