专利名称：包括在连续光谱的波长边缘外产生光的连续光谱源的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生连续光谱(continuum)的源，更具体地，涉及包括 在连续光谱外，即在其短波和长波边缘之外产生一个或多个光峰的源。
技术背景在光纤光学领域的应用中，高功率、低噪声、宽带的光源是特别重要的。 例如，现在正在向频语分割方面进行努力，其中，使用普通光源产生许多个波 长分隔多路传输(WDM)的信号。因此这种应用具有替代许多具有单一光源 的激光的潜力。其它应用包括但不限于频率计量、装置特性、对特性光纤进行 的色散测量以及光栅传输特性的测量。通过获得这种宽带源，可以极大地提高 所有这些各种诊断工具以及许多其它的应用。通常，产生连续光谱包括将典型以光脉沖形式的相对高的激光功率卩1入光 纤、波导或其它4效结构中，其中，由于在光纤中的非线性相互作用，激光脉冲 序列经历显著的镨线展宽。在产生连续光谱方面的先前努力，通常使用具有皮 秒数量级(10_12秒)持续时间的光脉冲在千米长度的光纤中进行的，在产生过 程中，所述的先前努力不幸地显示出一致性(coherence)降低。特别是，在该 过程的频谱展宽方面期间，发现额外的噪声被引入到系统中。通过将具有飞秒(10"5秒)数量级持续时间的光脉沖引入微结构或渐缩光 纤的端部，在这种微结构和渐缩光纤中产生波长跨越超过一倍频程(octave) 的连续光谱(在现有技术中另称为"超连续光谱")。由此所产生的极谱是有用 的，例如在测量和稳定脉冲-脉冲载波包络相位(pulse-pulse carrier envelope phase)方面以及在高精度的光学频率梳(optical frequency comb)方面是有用 的。在基于修正的非线性薛定谔方程(NLSE)模拟微结构光纤中的连续光谱 方面的努力，已经瞄准理解在光谱产生过程中所涉及的基本过程，并且所述努 力显示出当所引入的脉沖在持续时间上从皮秒数量级缩短至飞秒数量级时更 好地保持一致性。最近已经开发出相对新型的掺锗二氧化硅光纤用作为连续光谱中的波导介质，所述掺锗二氧化硅光纤具有低的色散斜率(dispersion slope )和小的有 效面积，下文将其称为"高非线性光纤"或HNLF。尽管HNLF的非线性系数 比由小芯部的微结构光纤所获得的非线性系数更小，但是由于HNLF的小的 有效面积，该系数是标准传输光纤的非线性系数的几倍大。以前在文献中已经 报道了使用HNLF和飞秒光纤激光产生超连续光谱。在2004年8月10日公 开所J. W. Nicholson等人的美国专利6,775,447公开了 一种HNLF超连续光谱 源，它由许多HNLF光纤的单独部分形成，所述单独部分已经熔融在一起， 每个单独部分在光源波长处具有不同的色散值，并且具有5 ~ 15平方微米之间 的有效面积。以其更常见的形式，"高非线性光波导(highly nonlinear waveguide)"可以被定义为包括除光纤之外的各种光介质，例如在基板上形成 的光波导等。对于本发明的目的，术语"高非线性波导"被定义为非线性长度 比色散长度(dispersion length)至少短10倍的波导(参见"非线性光纤光学 (Nonlinear Fiber Optics)", G. P. Agrawal),其中"非线性长度"被定义为输 入脉冲的峰值功率乘以波导器非线性系数的倒数，"色散长度"被定义为输入 脉冲宽度除以波导器色散参数(32的平方。在一些应用中，所希望的是，在给定的连续光谱的波长边缘外产生光(在 多数情况下，要求在唯一的窄波长范围内产生光)。对于本发明的目的，连续 光镨的"边缘(edge)"可以被定义为光谱功率降低至低于预定值(例如20dB 或30dB)的波长。对于不同的应用，实际的"边缘"可以不同。在频率计量 应用中，其中目标是将稳定的连续光谱频率梳与位于梳的谱带宽之外的另一光 源进行比较，目前的方法(产生谐波)要求一部分的频率梳是"频率加倍"的， 使得与要测量的波长重叠。尽管这种结构(arrangement)产生了所希望的结果， 但是它需要使用额外的非线性元件。在本技术领域中，扩展连续光语(甚至到窄范围的频率)而无需额外的非线性元件的方法将被认为是现有技术中的显著进步。因为连续光谱的短波长边 缘通常受到波导介质自身的大的材料色散的限制，所以尝试通过仅增加泵浦功 率(pumppower)来沿该方向扩展连续光谱已经发现是徒劳的。此外，在连续 光谱包括远离连续光谱的谐波(harmonics)的情况下，能够沿着谐波和连续光谱之间的光谱"插入" 一个或多个波峰将是有利的。因此，本技术领域中需要一种能够在所产生的连续光谱之外(或者在连续 光谱非常弱的光谱区域中)产生光脉冲而不需要借助于包括额外的非线性元件的结构(arrangement )。 发明内容通过本发明解决本技术领域中的需要，本发明涉及用于产生连续光i普的 源，更具体地，涉及能够在连续光谱之外，即在其短波长和长波长边缘之外(以 及在沿着用于产生连续光谱的非线性介质的长度上产生连续光谱非常弱的区 域中)产生一个或多个光峰的源。根据本发明，将一个或多个光纤布拉格光栅刻入(inscribe)高非线性光 纤(HNLF)部分，所述光纤布拉格光栅表现出共振波长小于连续光语带宽的 边缘。然后，使刻入光栅的HNLF经历来自诸如飞秒Er光纤激光的源的脉冲， 导致形成常规的连续光语以及在连续光谱之外的光谱区形成光峰。的确，这种 光栅可以在连续光语的短波长边缘之外形成，其中，光纤色散阻止了显著的连 续光谱产生。已经发现，使用布拉格光栅产生了与传播的光信号的相位匹配， 由此导致产生这些附加的峰。尽管优选的实施方式使用NHLF，但是应该理解 的是，也可以使用各种其它类型的高非线性光介质，其具有形成为与波导光连 接的本发明布拉格光栅。在本发明的结构中可以使用不同数目和类型的布拉格光栅，其中，可以使 用表现出不同共振波长的复式光栅，以在连续光谱的短/长波长侧产生多峰。 此外，根据本发明，这种光栅可以使用在沿着用于产生连续光谱的非线性介质 的长度上功率是"弱"的光谱区域(光谱功率密度小于平均光谱功率密度的 1/1000)。可以在HNLF介质的单个部分内形成多个这种光栅，在与其它相同 的光纤部分内"写入(written)" —个光栅，或者可选择地，沿着HNLF介质 的延长部分依次序写入每个光栅。本发明的另一方面是，能够使用"可调谐(tunable)"光栅(例如，热调 谐或机械调谐)来调节波长以使非线性源与光栅峰完全相位匹配，从而使得在 布拉格共振附近所产生的功率最大化。沿着光栅结构的长度，这种调谐的分布 可以是均匀的或者是不均匀的。通过下面的讨论并且参考附图，本发明的其它和另外的优点和实施方式将 变得显而易见。
下面说明附图，图1是本发明的示例性连续光谱源，通过包括共振波长小于所产生的连续光镨的短波长边缘的光纤布拉格光栅，用于在连续光谱的带宽之外产生光能； 图2是用图1的结构所产生的连续光谱的短波长部分的曲线图(即 1200nm及以下)，-说明在#<于连续光镨的短波长边缘(约800nm)即在700nm 处产生峰；图3是显示在700nm峰附近内的光产生以及与该波长区域有关的透射光 语的曲线图；图4是可替换的产生的连续光谱的曲线图，该连续光谱具有在主连续光谱 和谐波之间的"弱"光谱区域内所形成的本发明附加峰，在这种情况中，包括 第三谐波产生区域；图5包括光栅传播常数增量邻ftg的实数和虚数部分的曲线图；图6是根据本发明使用相位匹配所计算的连续光谱的模拟图，说明"具有" 和"不具有"光栅增强的连续光谱；以及图7是在图6的连续光谱中的增强峰周围的光谱区域的放大图。
具体实施方式
以前已经说明，光纤布拉格光栅可以极大地增强在非线性光纤中的连续光 镨产生，正如Brown等人2006年10月3日公开的美国专利7，116,87夂在Brown 等人的教导中，使用一个或多个布拉格波长(共振波长)在连续光谱的带宽之 内的布拉格光栅，以"增强"在布拉格波长的局部区域内的连续光谱。在Brown 等人的结构(arrangement)中，选择波长位于连续光谱内，使得提供充分量的 光能以允许所述增强的发生。以前已经发现，共振波长在现有连续光谱之外的布拉格光栅将允许产生共 振峰。即，已经发现，通过在用于产生连续光谱的HNLF部分内引入布拉格 光栅来产生附加的光，不依赖于产生连续光谱之外的光的任何显著潜在的连续 光谱能量的出现。的确，如在下文详细解释的，已经发现，布拉格波长的出现导致以如下方式与传播信号相位匹配，使得产生这些附加的光能量峰。通过首先确定(计算)不具有光栅的连续光谱的形状，然后，使用该场(field)作为在出现光栅相关的色散的情况下所发生的光累积的源项(source term),理解如在Brown等人的专利中所教导的光栅增强峰。特别是，已经显 示出光栅增强峰由连续光谱与光栅诱导波的干涉而产生，并且光栅增强峰近似 地与没有光栅的解(solution)的积分有关<formula>formula see original document page 8</formula>其中，A被定义为具有布拉格光栅的连续光语电场，Ao被定义为没有出现光 栅的连续光谱。D项被定义为光纤色散算符，z是沿光纤的轴向坐标，丄是刻 入光栅的长度。邻fbg项被定义为"具有"和"不具有"布拉格光栅的波导(光 纤)的传播常数之间的差值。该项的实数和虚数部分可以分别当作布拉格光栅 的相位和振幅响应，除了已经去除由于通过光纤传播所导致的相位。图5包括 该光栅传播常数的实数和虛数部分的曲线图。为了理解关于使用在连续光谱带宽之外的布拉格光栅的本发明重要发现， 在正好位于常规连续光谱带宽之外的频率处应用连续光谱电场的上述关系。的 确，上述关系可以以更清楚地显示出布拉格光栅作为相位匹配元件的形式进行 重写。对上述方程第二项进行部分积分，重写的形式如下<formula>formula see original document page 8</formula>0在积分的括号中的项仅仅是由NLSE以不具有光栅计算得到的非线性偏振。上 述方程的形式与在以未衰减的泵浦近似值计算谐波产生中所使用的形式相似。 第一项仅仅是通过光栅的输入场的线性传播(在这种情况下约为0),积分项 定义了通过克尔非线性(Kerr nonlinearity)所产生的光、通过光栅匹配的相位。 光栅色散则进入指数项，这可以认为简化的光栅格林函数。上述方程给出了简化的布拉格光栅图，其中，通过由积分中的指数项给出 电场的相位，假定邻ftg项沿光栅的长度是常量。在系统应用中，周期(period)、 有效折射率(effective index)和折射率调制振幅(index modulation amplitude) 可沿着光栅的长度以几乎任意方式变化"O) = "o 0) + ", (z) COS(X光栅z + P光栅o))其中，no被定义为基模(core mode)的有效折射率，n,是折射率调制振幅，0光*是光栅调制的相位，《光栅=2"/八光棚是光栅径向空间周期，A光棚是光栅周期。在将光栅刻入在光纤内的过程中，这些项中的任一个都可以变化，或者可选择地，可以利用温度/应变调谐来提供这些参数的实时和即时调节。这种不均匀的光栅可以通过邻fbg值来描述，所述邻fbg值沿光纤变化邻^ =S(3fbg(co，z)。通过光栅分布的适当调谐，这种变化可以在整个光纤长度上与非线性源进行完全(充分)的相位匹配。以另一种方式表示，上述方程中被积函数的相位可以基本上被赋值为作为z的函数的常量相位=啤1^4。(《力/血-/A4o(化z) "j =常量其中，在这种情况中具有非线性源项的理想相位匹配，在布拉格共振附近的峰 是最大化的。图6是使用上述相位匹配公式所计算的连续光谱的模拟图，说明 "具有"和"不具有"光栅增强的连续光谱。图7是在图6的连续光谱中的峰 附近的光镨区域的放大图，说明所计算的增强是在10dB或更高数量级。因此，根据本发明，"调谐，，光栅的能力允许在各种情况下的相位匹配。 实际上，通过沿光纤布拉格光纤的长度添加可调节的加热器，可以获得最好的 调谐，其中，在局部区域可以区别地调节光纤的温度，以在沿光栅的每点上获 得相位匹配。所述调谐可以是均匀分布在光纤的长度上，或者表现出特定的非 均匀分布，这是特定情况所希望的，即以获得具体目的所要求的峰的确定结构。图1说明根据本发明使用光纤布拉格光栅在连续光谱之外产生光的示例 性结构10。结构10包括泵浦光源12,在该情况中是放大的锁模铒掺杂光纤激 光。在实验的结构中，光源12具有46MHz的重复频率、约35飞秒的脉冲持 续时间、1580nm的中心波长和约0.1W的平均功率，它们是在与光源12的输 出端连接的单模光纤部分14的端部测量的。单模光纤14被显示为与高非线性 光纤(HNLF) 16的部分连接。根据本发明，沿HNLF16的长度刻入布拉格光 栅18。在实验结构中，使用单个整片曝光(single flood exposure),由248nm 高斯型受激子束通过相位模板，将光栅刻入HNLF 16的芯部。所形成的布拉 格光栅18被定义为表现出236nm的周期(period) ( A )、 702nm的布拉格波 长(X)和具有约3cm的长度。光谱分析仪20被显示为与HNLF 16的远端部连接，其用于测量本发明HNFL/布拉格光纤结构的输出。尽管图1的结构说 明了利用HNLF产生连续光语，但是应当理解的是，对于应用各种其它类型 的高非线性光波导器，本发明的原理是等同适用的。图2包括通过OSA (光谱分析仪)20所测量的用图1结构所产生的部分 光镨的曲线图。在该情况中，仅仅显示了所产生的连续光语的较短波长部分， 所产生的连续光谱充分地超出曲线图中的1200nm值。本发明的主题所感兴趣 的是在接近布拉格光栅18中心波长处产生光栅峰，如图2的曲线中P所标记 的。据估计布拉格峰P具有0.3pW数量级的总功率，与现有技术的频率加倍 结构中所获得的功率水平接近。图3所示的是在峰P附近的光产生以及用白光 灯源所测量的其透射光谱。发现在布拉格共振内和边缘附近产生光。在该曲线 图中共振倾斜(resonance dips)可能归因于与更高数量级的导模(guided mode) 和包层模(cladding mode )在HNLF内的连接(cupling )。如上提及的，本发明的另 一显著方面是在如下区域中产生光，在该区域中， 沿波导长度的每个地方，现有的连续光谱是充分弱的(对于本发明的目的，"充 分弱"被定义为功率谱密度小于平均连续谱密度的1/1000)。具有如下的源结 构，其中，所产生的能量包括一组位于连续光谱外的光谱区域内的谐波。图4 是在500-1500nm波长范围内的连续光语功率图，说明连续区从约900nm的值 向长波延伸。显示出在窄带区士 500nm形成第三谐波产生的区域,标记为THG。 利用上面给出的"充分弱的"连续光谱的定义，在第三谐波产生和连续光谱的 短波长边缘之间的区域可以被定义为"弱区"，其中，根据本发明使用光纤布 拉格光栅可以导致添加一个(或多个)能量峰。在该实施例中，显示了中心位 于750nm的光栅峰。的确，该峰是根据本发明包括光纤布拉格光栅的结果， 其中，所述光栅的中心波长不在常规的连续光谱带宽内。因此，依据本发明的光纤布拉格光栅可以用于在使用HNLF所形成的连 续光镨的波长边缘之外、或者在所定义的连续光谱内的"充分弱的"区域中产 生光。关于短波长边缘，由于这些光纤在短波长处大的色散，该区域以前是不 能达到的。使用本发明的光纤布拉格光栅的色散，现在克服该限制并且在远超 过由光纤色散所确定的波长的波长处产生光是可能的。尽管上面描述代表本发明的优选实施方式，对本领域技术人员，可以在不 脱离由如下权利要求所给出的发明实质和范围内进行各种改变是显而易见的。
权利要求
1.一种光源，适于产生连续光谱和在其输出端产生附加光峰，该光源包括能够产生输出光脉冲的激光脉冲源，该输出光脉冲的持续时间适于产生连续光谱辐射；被连接以接收来自激光脉冲源的输出光脉冲的高非线性光波导介质部分，其中，通过所述非线性光波导介质的脉冲传播在其输出端产生连续光谱，该连续光谱表现出从较低的短波长边缘到较高的长波长边缘的光能量；和沿高非线性光波导介质部分刻入的至少一个布拉格光栅，所述至少一个布拉格光栅表现出位于所产生的连续光谱之外的共振波长，用于在所产生的连续光谱之外产生至少一个光峰。
2. 如权利要求l所述的光源，其中，所述至少一个布拉格光栅是可调谐 的，以调整共振波长的位置。
3. 如权利要求2所述的光源，其中，所述至少一个布拉格光栅的折射率 分布在刻入期间是可变的，以使布拉格共振附近的光谱峰最大化。
4. 如权利要求l所述的光源，其中，所述至少一个布拉格光栅包括多个 单独的布拉格光栅，每个光栅表现出不同的共振波长，使得所述多个单独的布 拉格光栅在所产生的连续光谱的波长边缘之外产生多个光峰。
5. 如权利要求1所述的光源，其中，所述高非线性光波导介质部分包括 高非线性光纤部分。
6. 如权利要求1所述的光源，其中，所述源进一步包括在激光脉冲源的 输出和高非线性光波导介质部分之间连接的单模光纤部分。
7. —种产生连续光i普输出和在所产生的连续光谱的波长边缘之外产生至 少一个光峰的方法，该方法包括步骤a) 提供至少一个高非线性光波导部分；b) 沿高非线性光波导部分刻入至少一个布拉格光栅，所述至少一个布拉 格光栅具有在所产生的连续光谱的波长范围之外的共振波长；以及c) 用激光脉冲照射在步骤b)中所形成的结构，所述激光脉冲的持续时间能够沿着由短波长下边缘和长波长上边缘所限定的波长区域产生连续光输 出，也能够在所述连续光谱的波长边缘之外产生至少一个光峰。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述方法进一步包括步骤d)沿布拉格光栅长度调节所述至少一个布拉格光栅的共振波长，以使光 栅附近的光峰最大化。
9. 如权利要求7所述的方法，其中，在执行步骤b)中，当刻入布拉格光 栅时，沿光栅的长度调节所述至少一个布拉格光栅的特性。
10. 如权利要求7所述的方法，其中，在执行步骤b)中，沿高非线性光 波导部分刻入多个单独的布拉格光栅，每个布拉格光栅具有不同的共振波长。
全文摘要
本发明提供一种连续光谱源，其用于产生连续光谱和在连续光谱带宽之外产生一个或多个光峰。特别是，在高非线性光纤(HNLF)部分刻入一个或多个共振波长小于预定连续光谱的短波边缘(或大于长波边缘)的布拉格光栅，用于产生附加的光峰。也可以在沿光纤的区域形成光栅，在该区域中，连续光谱功率密度基本上为0。已经发现使用布拉格光栅产生与传播光信号的相位匹配，从而导致产生附加峰。
文档编号G02B6/02GK101271243SQ20081008586
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月21日 优先权日2007年3月23日
发明者保罗·S.·韦斯特布鲁克, 杰弗里·W.·尼科尔森 申请人:古河电工北美公司