[0001] 本发明属于微纳光学领域，更具体地，涉及一种光纤网络。

[0002] 新型人工结构和材料的开发是当今光学领域的主要研究课题之一。在迄今为止的大多数研究中，此类结构主要通过操控折射率的空间分布来实现光子调控，其中典型的结
构便是光子晶格。而时间是光子的一个基本自由度，调控光子时间维度上的分布，在信号传
递、储存、加工处理等技术中具有重要应用，同时时分复用技术也可用来增加光通信容量。
将空间光子晶格概念推广到时间维度中，构成时域光子晶格，可以把能带理论应用于调控
光子中，以更加灵活、可控的方式控制光子的输运。目前，二维时域光子晶格的相关研究处
于探索阶段，而实现的方法则主要利用光纤环路。

[0003] 利用光纤网络，研究人员在二维时域光子晶格中研究非线性特性(A.L.M.Muniz，Sci.Rep.9，9518(2019))和孤子传输(A.L.M.Muniz,Phys.Rev.Lett.123，253903(2019))。
但是在上述工作的光纤网络，只适用于构建长方时域光子晶格调控脉冲演化，如何实现具
有不同结构的二维时域光子晶格是目前需要展开研究的课题之一。

[0059] 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
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0060] 本发明调节光纤网络结构，可进一步实现不同形式的晶格结构，并结合晶格特征和演化方程，对脉冲在系统中的演化进行分析和调控；脉冲在网络内传输的演化特性也可
由耦合器分光比和相位调制深度进一步灵活调控。

[0061] 具体地，结合光纤和光耦合器搭建光纤网络，调节光纤长度引入时延构造一维时域光子晶格结构；通过添加新的光纤和耦合器，进一步拓展脉冲间的耦合关系，将构建的时
域光子晶格由一维推广至二维；基于二维晶格结构，将固体物理中的晶格结构同光纤网络
和时间维度相结合，构造包括蜂窝型、长方有心、长方和正方二维时域光子晶格，为研究及
调控脉冲演化提供新的方式。

[0062] 本发明提供一种光纤网络调控脉冲耦合和演化的方法，包括：

[0063] 4段光纤和2个2×2光耦合器构建光纤网络，即两段光纤作为输入端通过光耦合器和另外两段光纤相接，并通过另一光耦合器将上述光纤相接形成左、右两个光纤环路，光脉
冲在环路内分别以顺时针和逆时针方向循环。

[0064] 光纤间的长度差使光脉冲所需的传输时间不同，由此引入时延差ΔT令左、右环路内时间差为ΔT的脉冲同时进入光耦合器发生相互作用，利用该方法可构造周期为ΔT的一
维晶格，并将该晶格所在维度命名为m方向。

[0065] 在网络内添加光耦合器和成对的传输时间差为δt的短光纤，可使左、右环路内相差δt的脉冲同时进入耦合器；加入周期为TM的相位调制和色散光纤，又可引起同一环路内
间隔为TM的脉冲发生耦合，借用上述方法等效地构造周期为δt或TM的一维晶格，并将该晶格
所在维度命名为n方向。

[0066] 时延差ΔT与δt或TM的结合，可将时域光学同凝聚态物理相结合，在m‑n平面内构建二维时域光子晶格，以此分析和调控脉冲在网络内的耦合和演化。

[0067] 左、右环路内的光脉冲在耦合器内发生相互作用并引起能量的变化，脉冲进入耦合器的时间依赖于光纤长度，即由时延差ΔT和δt决定。

[0068] 为构建沿m方向的晶格，需使脉冲通过网络内4段光纤的时间t1、t2、t3和t4满足条件：t1＝t3＞t2＝t4，t1‑t2＝t3‑t4＝ΔT，下标为光纤序号，时延差ΔT作用下，网络左侧环路内t0时刻脉冲与右侧环路t0±ΔT脉冲同时进入耦合器发生相互作用。

[0069] 在借由时延ΔT和耦合器构建m方向时域晶格时，需在光纤网络内采用色散补偿光纤以抵消脉冲在色散光纤内发生的色散展宽。

[0070] 在4段长光纤和2个2×2光耦合器的基础上添加1个光耦合器和一对传输时间差为δt的短光纤，可使左侧环路内t0时刻与右侧t0±δt时刻脉冲同时进入耦合器发生相互作用。

[0071] 在光纤网络中添加周期为TM的相位调制和光纤色散，可分别对光脉冲的频谱包络和时域波形进行调制，引起网络内间隔为TM的脉冲在光纤内发生耦合。

[0072] 脉冲在光纤网络内的演化主要依赖于利用光纤网络所构建的二维时域光子晶格的结构，即根据时延差ΔT、δt和调制信号TM将一维时间轴上的脉冲映射于二维平面上加以
分析。

[0073] 所述的晶格结构包括但不限于：蜂窝晶格、长方有心晶格、长方晶格和正方晶格。

[0074] 构造蜂窝晶格时，需使脉冲通过长光纤和光耦合器后，通过一组长度差为δt的短光纤和一额外耦合器，使左侧环路中t0时刻脉冲在网络内与右侧环路内t0和t0±δt时刻脉
冲同时进入耦合器发生相互作用；

[0075] 构造长方有心晶格时，需在网络内原有的2个耦合器后各添加一组长度差为δt的短光纤和一个耦合器，使左侧环路t0时刻脉冲与右侧t0±δt和t0+ΔT±δt脉冲发生耦合；

[0076] 构造长方和正方晶格时，在4段长光纤和2个2×2光耦合器的基础上，在左、右环路分别添加相同的相位调制器和长光纤，实现左、右环路内t0时刻脉冲与同环路中t0±TM脉冲
之间的耦合。

[0077] 在一维时间轴中构造等效的二维时域光子晶格，需使ΔT远大于δt和TM；为避免脉冲之间的串扰，脉冲宽度也需小于时间δt和TM。

[0078] 脉冲间的相互作用强度可通过改变相位调制深度和光耦合器分光比进行灵活调控，调制深度依赖于加载在相位调制器上的射频信号的强度，分光比由耦合器内的耦合距
离决定；

[0079] 为契合二维晶格模型，需保证光脉冲在各耦合器间的能量差较小，即要求耦合器分光比和相位调制深度不宜过大，两者需分别小于10％和0.6，与相位调制器搭配采用的单
2
模光纤提供约为600ps色散量。

[0080] 除光纤网络内所需的光纤、耦合器和相位调制器外，还包含：1550nm激光器、强度调制器、偏振控制器、光学延迟线、掺铒光纤放大器、光功率器、光电二极管、实时示波器，以及相位调制器和光纤；

[0081] 所述激光器和强度调制器用于产生具有特定时间间隔的光脉冲；偏振控制器用于调节光脉冲的偏振态；光学延迟线用于微调光纤长度和传输时间，掺铒光纤放大器用于补
偿网络中的损耗，光电二极管和实时示波器记录脉冲演化过程。

[0082] 实施例一

[0083] 一种光纤网络调控脉冲耦合和演化的方法，借助光纤网络构造一维光子时域晶格加以实现。如图1(a)所示，利用2×2耦合器7和8将光纤1、2、3、4相接形成包含左、右两个环
路的光纤网络，入射脉冲在环路内分别以顺时针和逆时针方向循环，光脉冲通过各段光纤
所需时间分别为t1、t2、t3和t4，并满足条件t1＝t3，t2＝t4，t2–t1＝t4–t3＝ΔT，即脉冲通过各光纤所需时间存在时延ΔT。利用时延，调控脉冲进入耦合器的时间，实现不同时刻脉冲间
的耦合。

[0084] 下面将结合图1(a)和图2，对本发明实施例中单个脉冲在光纤网络内的演化作进一步说明：

[0085] (1)光纤网络左侧环路内含有单个脉冲a，脉冲a在单模光纤1内传输时间t1进入耦合器7，并在耦合器内向右侧环路内分配能量，生成脉冲b进入光纤3；

[0086] (2)由于光纤2的长度大于光纤3，导致脉冲通过光纤2和3的时间满足t2–t3＝ΔT，即过时间t3后脉冲b先到达耦合器8，分配能量生成脉冲c进入光纤1；再经过ΔT脉冲a进入
耦合器8，生成进入光纤4的脉冲d，此时脉冲c与a和脉冲d与b间的时间差均为ΔT；

[0087] (3)脉冲c和d依次在光纤4和1内传输时间t4和t1依次进入耦合器7，并分别在右、左侧环路生成脉冲e和f；

[0088] (4)由于脉冲在通过光纤的时间满足t1+t2＝t3+t4，使脉冲循环过程中，在耦合器内发生相互作用的关系保持不变，例如：脉冲a在循环过程中，始终会与脉冲b和d在耦合器7
和8中相遇发生能量交换；同时，亦会有新的光脉冲随循环圈数增加不断产生，且脉冲的间
隔保持ΔT不变。

[0089] 具体地，为抵消脉冲在循环过程中发生由色散引起的展宽，需在单模光纤1和4中加入色散补偿光纤5和6，用以补偿单模光纤中的色散量。

[0090] 选取特定长度的光纤搭建光纤网络，结合光耦合器可实现网络内左侧环路中t0时刻的脉冲与右侧环路t0和t0‑ΔT时刻脉冲间的耦合。进一步地将两环路内脉冲排为一列：将
右侧环路内t0和t0–ΔT时刻脉冲置于左侧环路t0时刻脉冲的上、下两边，即图2中演化的脉
冲以f、d、a、b、c、e的顺序排列，由此等效地构造一维时域光子晶格。进一步地将脉冲命名为Am，m为脉冲从左至右的编号，网络内脉冲随循环圈数L演化则遵循耦合模方程idAm/dL–κm
(Am‑1+Am+1)＝0，其中，i为虚数单位，d为求导符号，κm＝sin(C)为相邻脉冲间的耦合强度，由耦合器分光比C决定。

[0091] 实施例二

[0092] 一种光纤网络调控脉冲耦合和演化的方法，借助于构造蜂窝时域光子晶格加以实现。在实施例一中的光纤网络基础上，调整原有4段单模光纤的长度，使脉冲通过各光纤内
的时间满足t1+t2＝t3+t4，t1‑t3＝t2‑t4＝δt，t2–t1＝t4–t3＝ΔT，图中点线即表示两光纤间的长度差。同时光耦合器7后添加另一2×2耦合器9，并在两耦合器之间加入传输时间分别
为t11和t12的短光纤11和12，其中t12–t11＝2δt。

[0093] 下面将结合图1(b)和图3‑4，对本发明实施例中脉冲的演化作进一步说明，包括：

[0094] (1)光纤网络内左侧环路中含有限个时间间隔为δt或ΔT的脉冲序列，脉冲在单模光纤1内传输时间t1后入射耦合器7，随后在光纤11内传输时间t11后入射耦合器9中，最后通
过光纤2和耦合器8回到光纤1中，以顺时针方向完成一次循环；

[0095] (2)右侧环路内亦含有限个的时间间隔为δt或ΔT的脉冲序列，并与左侧环路内的脉冲序列存在δt的时延差。环路内脉冲会经光纤4和耦合器7进入光纤12，传输时间t12＝t11
+2δt后进入耦合器9，再在光纤3内传输t3时间后，经耦合器8回到光纤4，以逆时针方向完成
循环；

[0096] (3)由于脉冲通过光纤1和4所需时间满足t1–t4＝δt，如图3所示，左侧环路内t0时刻脉冲与右侧t0–2δt时刻脉冲在耦合器7内相遇发生耦合；又因t12＝t11+2δt，左、右环路内t0时刻脉冲将同时进入光耦合器9；

[0097] (4)左、右环路内的脉冲经过光纤2和3后，由于t2–t3＝δt+ΔT，左侧环路t0时刻脉冲与右侧t0+δt+ΔT时刻的脉冲将同时进入耦合器8内进行相互作用。

[0098] 具体地，随脉冲在光纤网络内循环圈数的增加，将在光纤环路内形成如图5所示的脉冲序列，即含有一系列时间差为ΔT的脉冲波包，每个波包中又含有一系列间隔为δt的脉
冲。利用网络内的耦合关系将脉冲映射到二维m‑n平面内，即利用时间ΔT对脉冲进行划分，
将左、右环路内的每个波包作为一排沿垂直方向交叉放置，例如将左侧环路t0时刻脉冲作
为第n行的第m个脉冲，那么与之相互作用的右侧环路内的t0‑δt、t0+δt和t0+ΔT时刻脉冲坐标则为(m–1，n–1)、(m+1,n‑1)和(m，n+1)，依次类推便可构造如图4所示的蜂窝时域光子晶格。此时，脉冲在网络内的演化可借由晶格结构加以分析和调控。

[0099] 具体地，在本实施例中脉冲在光纤网络内的演化映射到二维m‑n空间下的蜂窝晶格结构内，此时脉冲在网络内的演化可由idA/dL–(κ1Br1+κ2Br2+κ3Br3)＝0来描述，其中，A、B用于表征脉冲所在时刻对应的晶格格点，κ1、κ2和κ3表示格点间脉冲能量的耦合系数，由耦合器7、9和8的分光比决定，下标r1、r2和r3表示格点间耦合的矢量方向。

[0100] 实施例三

[0101] 一种光纤网络调控脉冲耦合和演化的方法，借助于构造长方有心时域光子晶格加以实现。在实施例一中的光纤网络基础上，调整单模光纤1‑4的长度，使脉冲在光纤内的传
输时间满足条件t1+t2＝t3+t4，t1‑t3＝t2‑t4＝2δt，t2–t1＝t4–t3＝ΔT，图中点线即表示两光纤间的长度差。同时光耦合器7和8后同时添加2×2耦合器9和10，并在耦合器之间加入长度
差为2δt的短光纤11、12和13、14。

[0102] 下面将结合图1(c)和图5‑6，对本发明实施例中脉冲的演化作进一步说明，包括：

[0103] (1)光纤网络内左环中含有限个时间间隔为δt或ΔT的脉冲序列，脉冲序列在光纤1内传输时间t1后入射耦合器7，在光纤11内传输t11时间后进入耦合器9中；脉冲在经光纤2
和耦合器8，进入短光纤13传输时间t13＝t12后经耦合器10回到单模光纤1中，即脉冲沿逆时
针方向完成循环；

[0104] (2)光纤网络右侧环路含有限个间隔为δt或ΔT的脉冲序列，且与右侧环路的脉冲之间有时延差δt。脉冲经单模光纤4传输时间t4后进入耦合器7中，之后在光纤12内传输时
间t12＝t11+2δt后进入耦合器9，而后脉冲经时间t3由光纤3入射耦合器8，并在光纤14内传输
时间t14＝t12后进入耦合器10，最终回到光纤4，即脉冲沿逆时针方向完成循环；

[0105] (3)由于脉冲在光纤1和4内的传输时间满足t1–t4＝2δt，引起左侧环路内t0时刻脉冲与右侧t0–δt脉冲在耦合器7内耦合；又因t12＝t11+2δt，左环t0时刻脉冲与右环t0+δt脉冲也会同时进入耦合器9中发生相互作用；

[0106] (4)同(3)中的耦合过程类似，在左、右环路内的脉冲在经过光纤2和3后，由于t2–t3＝2δt+ΔT，会使左侧环路内t0时刻脉冲分别在耦合器8和10内与右环t0‑δt+ΔT和t0+δt+ΔT脉冲进行耦合。

[0107] 具体地，随循环圈数增加，将在光纤网络内形成一系列间隔为ΔT的脉冲波包，采用于实施例二相同的方式对网络内脉冲进行划分，例如将系统左侧环路内t0时刻脉冲放置
于m‑n平面坐标系中的(m,n)位置处，与之发生相互耦合的右侧环路内t0±δt和t0±δt+ΔT
时刻的脉冲则位于m‑n平面内的(m±1，n‑1)和(m±1,n+1)坐标位置处，以此类推，通过上述
方式，即可将光纤网络内的脉冲分布映射到长方有心光子晶格结构中，并借用晶格分析和
调控脉冲演化，晶格结构如图6所示。

[0108] 具体地，脉冲时域波形随循环圈数L的增加发生变化，演化过程可通过演化方程idAm,n/dL–κ1Am‑1,n‑1–κ2Am+1,n‑1–κ3Am‑1,n+1–κ4Am+1,n+1＝0来描述，其中，i为虚数符号，dAm,n/dL表示二维平面内(m,n)坐标处脉冲幅度Am,n对演化圈数的微分，κ1、κ2、κ3和κ4取决于耦合器7、
9、8和10的分光比。

[0109] 实施例四

[0110] 一种光纤网络调控脉冲耦合和演化的方法，借助于构造长方时域光子晶格加以实现。在实施例一中的光纤网络基础上，保持传输时间满足条件t1＝t3，t2＝t4，t2–t1＝t4–t3＝ΔT，同时在左、右环路中分别添加相位调制器和等长的色散光纤，分别对脉冲的频谱和时
域波形加以调制，其中相位调制信号周期为TM。

[0111] 下面结合图1(d)和图7‑8，对本发明实施例中脉冲的演化作进一步说明，包括：

[0112] (1)光纤网络内左侧环路中含有限个间隔为TM或ΔT的脉冲，脉冲在单模光纤1内传输过程中，会先后经过色散光纤13和相位调制器15，并在传输时间t1后，依次通过耦合器
7、单模光纤2和耦合器8，最终回到光纤1完成一次循环，其中脉冲通过光纤2所需时间为t2；

[0113] (2)类似地，网络右侧环路内含有间隔为TM或ΔT的光脉冲，脉冲在单模光纤4内传输耗时t4，同时经过色散光纤14和相位调制器16，随后通过耦合器7、单模光纤2和耦合器8，
以逆时针方向回到光纤1中完成循环；

[0114] (3)与实施例一相同，在网络内时延差ΔT的作用下，左侧网络内t0时刻脉冲与右侧t0和t0+ΔT时刻脉冲分别进入耦合器7和8内发生相互作用；

[0115] (4)网络左右两侧的相位调制器受周期为TM的余弦信号驱动，结合光纤提供的色散，此时脉冲在演化过程中遵循非线性薛定谔方程
其中， 和 表示脉冲幅度A在传输距离z和时间t方向上的偏导，i为虚数单位。V为相位调
制信号的幅度，β2为群速度色散系数，脉冲在两者作用下在时间维度上离散，且以TM为间隔
发生能量耦合。

[0116] 进一步地，随循环圈数增加，在相位调制、光纤色散和网络内的时延差的共同作用下，形成图7所示的脉冲序列，即形成一系列间隔为ΔT的脉冲波包，波包内相邻脉冲间距又
为TM。将光脉冲映射到二维平面上，可以等效的在时间维度中构造出如图8所示的长方光子
时域晶格，即在m‑n坐标系下，相位调制和色散实现脉冲沿m方向上的耦合；时延差则引起脉
冲在n方向上的相互作用。两者结合下，脉冲在系统内随循环圈数L的演化遵循耦合模方程
idAm,n/dL–[κm(Am‑1,n+Am+1,n)+κn(Am,n‑1+Am，n+1)]＝0，其中，A为时域脉冲幅度，κm和κn分别为脉冲在晶格内沿m和n方向上的耦合强度，由相位调制深度和耦合器分光比调控。

[0117] 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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。