基于光纤的超连续谱光源的制作方法

文档序号:25542492发布日期:2021-06-18 20:39阅读:129来源:国知局
基于光纤的超连续谱光源的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2018年11月1日提交的美国临时申请62/754,095的权益,并通过引用将其在此并入。

本发明涉及一种超连续谱光源,其基于全光纤布置,将种子脉冲源与多个高度非线性光纤(hnlf)区段组合以提供稳定、相干的输出连续谱,并且在所产生的连续谱上显示出功率谱密度的最小变化。



背景技术:

超连续谱光源通常利用足够强度的脉冲种子激光源,然后来自该光源的输出脉冲穿过高度非线性光学介质(通常为高度非线性光纤,hnlf)。许多当今的hnlf具有已知能够显示出相对强的非线性效应的微结构化光纤的形式。然而,这些特种光纤复杂且相对昂贵,并且因此不太适合标准制造工艺(包括例如将这些微结构光纤熔接到标准单模或多模光纤的简单需要)。

当前超连续谱开发的许多目标强调增加所生成的输出功率的方面,同时还继续尝试扩展所生成的连续谱的光谱带宽。然而,功率增强的非线性效应可能导致所产生的超连续谱由于增加的结构水平而表现出输出功率的变化。输出也可能变得随时间而不稳定,即,对于给定波长的显示强度随着时间变化。另外,当使用功率过高或强度不稳定的输入时,功率增强的超连续谱的相干性可能开始降低。

虽然已知自由空间系统对基于强度的变化的敏感度低于具有相对小的光学限制区域的光学系统(例如基于光纤的系统)对基于强度的变化的敏感度,但是它们的尺寸相对较大,并且具有耗时的安装和对准问题,这使得自由空间系统对于大多数应用是不实用的。

在没有确保产生相对平滑和稳定的超连续谱输出的能力的情况下,提供更宽的带宽和/或更高的输出功率的能力可能不满足给定应用的要求。



技术实现要素:

现有技术中存在的需求由本发明解决了,本发明涉及一种超连续谱光源,该超连续谱光源基于光纤的种子脉冲源的全光纤布置,该种子脉冲源接着是多个高度非线性光纤(hnlf)区段,以提供稳定的、相干的输出连续谱,并且在所产生的连续谱上显示出功率谱密度的最小变化。

根据本发明的原理,示例性全光纤超连续谱(sc)光源包括短持续时间(例如,<1ps)脉冲的种子脉冲供应源与高度非线性光学介质的组合,所述种子脉冲供应源呈现高度的相位稳定性,所述高度非线性光学介质采用具有不同色散值和长度的高度非线性光纤(hnlf)的两个或更多个的连接区段的形式。hnlf的两个或更多个区段被配置为至少包括一个呈现正色散值的区段和一个呈现负色散值的区段。诸如自相位调制(spm)、交叉相位调制(xpm)、拉曼放大等的非线性效应导致种子脉冲在传播通过每个hnlf区段时变宽,其中色散值之间的差以及每个光纤区段的长度被具体配置成产生宽且平滑的sc输出,从而表现出稳定的强度和高相干水平。

与许多现有技术的布置相反,种子脉冲的平均输出功率保持在相对低的水平(例如,约20-40mw),例如以4.7mhz的重复率提供具有1-2nj的能量的种子脉冲,足以使得能够产生超连续谱而不会在其谱范围中还引入结构和噪声。

在所选择的种子脉冲源不能提供具有足够能量的输出脉冲以在hnlf光纤区段内按照连续谱生成所需的方式相互作用的情况下,本发明的sc光源可以被形成为包括基于光纤的光放大器,该基于光纤的光放大器被布置在高度非线性光介质的输入处,并且被用于确保所生成的种子脉冲的功率水平足以响应hnlf光纤区段中的非线性并且产生足够光谱宽度△ν的sc输出。例如,掺铒光纤放大器(edfa)可以设置在种子脉冲源的输出与到高度非线性光学介质的输入之间,其中增益光纤的参数和相关联的泵浦源的功率用于确保作为输入施加到hnlf光纤区段的种子脉冲处于优化功率水平。

本发明的一个示例性配置利用种子脉冲功率的调谐来优化sc光输出的特性;即,确定与产生足够宽的频谱同时保持可接受的噪声水平相关联的优化脉冲功率。在包括掺杂光纤放大器的配置中有用的一种调谐方法是调整泵浦功率,直到输出频谱尽可能地宽,而不向频谱引入附加噪声。

在本发明的各种实施例中,正色散hnlf区段比负色散hnlf区段短(可能相差差不多两个数量级左右)。另外,已经发现,当脉冲首先通过正色散hnlf区段,然后通过负色散hnlf区段时,可以获得优化光谱完整性(在稳定性、相干性和均匀性方面)。其它实施例可以使用多于一个正色散hnlf区段(下文中称为p-hnlf)和多于一个的负色散hnlf区段(n-hnlf)。使用多个区段的一种配置可以将这些区段布置成(适当长度的)成对(p-,n-)色散,以最佳地控制所产生的超连续谱的整体形状。

本发明原理的其它方面包括在高度非线性光学介质的输出处执行“时间拉伸”的能力,从而在作为源输出的每个“连续脉冲”内产生时间分离的波长成分。已知的色散型傅立叶变换技术在各种光学传感应用中利用了时间拉伸脉冲,其中根据本发明原理的时间拉伸连续谱的能力被认为是提供了可以使用的大量不同波长成分。

本发明的一个示例性实施例采用全光纤光学超连续谱光源的形式,包括短持续时间的功率受限的输入种子脉冲源,被设置成接收输入种子脉冲并提供高强度的压缩的输出种子脉冲作为输出的单模光纤区段,以及耦合到单模光纤区段以接收高强度的压缩的输出种子脉冲的高度非线性光学介质。所述高度非线性光学介质本身包括多个连接的高度非线性光纤区段,所述高度非线性光纤区段至少包括第一正色散高度非线性光纤(p-hnlf)区段和第二负色散高度非线性光纤(n-hnlf)区段,其中所述多个连接的高度非线性光纤区段的色散值和长度被选择为将传播的高强度压缩输出种子脉冲转换为定义的光谱带宽的光学超连续谱输出。

本发明的另一实施例还通过向高度非线性光学介质的输出添加专用的高色散元件来提供所生成的超连续谱的时间拉伸。

在以下讨论的过程中并通过参考附图,本发明的其它和进一步的实施例和方面将变得明显。

附图说明

现在参考附图,其中在几个视图中相似的数字表示相似的部件:

图1是根据本发明的原理形成的超连续谱(sc)光源的高级框图;

图2示出了本发明的示例性实施例,其包括掺杂光纤放大器,用于在光脉冲通过高度非线性光纤(hnlf)区段之前向光脉冲提供受控量的增益;

图3示出了根据本发明的原理并基于图2所示的实施例形成的示例性sc光谱;

图4描述了本发明的另一个实施例,在这种情况下,光脉冲功率是可调的,以提供优化的sc输出;

图5示出了本发明的另一个实施例,在该示例中,使用正色散hnlf区段和负色散hnlf区段二者;

图6示出了本发明的示例性实施例,其进一步提供了由hnlf区段形成的sc输出的“时间拉伸”;以及

图7是来自图6的配置的功率谱输出的曲线图。

具体实施方式

图1包含根据本发明的原理形成的示例性超连续谱(sc)光源10的高级框图。sc光源10被示出为包括光学种子脉冲供应源12,其提供持续时间相对短(即,脉冲持续时间<1ps)的光学脉冲并且表现出如下所述的受控的受限的功率水平。在示例性实施例中,供应源12提供具有大约4.7mhz的脉冲重复率的脉冲串输出。来自供应源12的脉冲串输出p作为输入被提供给高度非线性光学介质14,该光学介质至少包括一个正(反常)色散高度非线性光纤(p-hnlf)区段16和一个负(正常)色散hnlf(n-hnlf)区段18。单模光纤区段20被包括在sc光源10中并位于供应源12的输出端和高度非线性光学介质14的输入端之间。光纤20被利来在各个种子脉冲通过介质14之前压缩各个种子脉冲,以便在每个脉冲进入介质14时增加存在于每个脉冲中的强度。因此将高度非线性光学介质14的输出被定义为光源10的sc光输出。

由于所产生的sc光输出的稳定性受到输入种子脉冲的稳定性的影响,因此本发明的供应源12被选择为表现出高相干性和高水平的相位稳定性(其保持相对“低”(即,受限的)脉冲能量,以便不引入不必要的噪声)。诸如在美国专利申请16/200,810号中描述的并且转让给本申请的受让人的锁模8字形激光器被认为是适于提供具有高水平的相位稳定性(即,低水平的脉冲到脉冲定时抖动)的脉冲的低噪声相干激光源的示例。虽然这种锁模8字形激光器是一种示例性的合适配置,但是其他光源(包括其他基于光纤的光源)可以被配置成提供必要的相干和稳定性水平。

根据本发明的原理,优选实施例利用了比负色散hnlf区段短得多的正色散hnlf区段。如图1所示的布置利用了高度非线性光学介质14,其包括相对较短的p-hnlf16的区段结合相对较长的n-hnlf18的区段。应当理解,归因于hnlf区段的色散值是与传播种子脉冲的波长相关联的色散(例如,1550nm是这些系统中使用的常见波长)。

如下面将讨论的,已经发现,限制种子脉冲中存在的能量的量降低了与现有技术的“高功率”超连续谱光源相关联的噪声水平和不稳定性。如上所述,种子脉冲需要表现出足够的能量以受到hnlf光纤区段的非线性特性的影响,因此根据本发明的教导,需要找到能够产生足够光谱宽度的sc输出而不表现出与现有技术高功率光源相关联的噪声和结构问题的“优化”种子脉冲能量水平。

很可能大多数种子脉冲激光源(例如上述锁模8字形光纤激光器)呈现数百μw量级的平均输出功率,对应于重复率为4.7mhz的约60pj的脉冲能量。然而,与产生足够宽的sc输出相关联的“优化”种子脉冲通常需要约102nj的数量级的能量。因此,本发明的全光纤sc光源的优选实施例可能需要结合种子脉冲激光源来使用光放大器,以便获得用于被引入到高度非线性光学介质14的种子脉冲的期望能量水平。图2示出了sc光源10a的示例性实施例,其利用掺铒光纤放大器(edfa)30与稳定的激光脉冲供应源40的组合来产生种子脉冲,该种子脉冲呈现适于本发明目的优化的受限的功率水平。

稳定激光脉冲供应源40可包括锁模光纤激光器(例如,8字形光纤激光器),以提供具有小于1ps的脉冲持续时间(例如,约270fs左右的脉冲持续时间)的“种子”脉冲。在4.7mhz的重复率(约60pj的光脉冲能量)下,脉冲可表现出300μw的平均功率。在示例性实施例中,这提供了在270fs的脉冲时长内大约230w的峰值脉冲功率。

edfa30在图2中被示为包括一个具有选定长度ler的掺铒光纤区段32(以下称为“增益光纤”)。泵浦源34作为edfa30的部件被包括在内,并提供处于适当波长(通常约980nm)和功率水平(例如,在约150-300mw的范围内)的泵浦光束。泵浦光束和种子脉冲序列p在波分复用器36中组合,并耦合到增益光纤32中。因此edfa30的输出采取稍微高一些的能量水平种子脉冲的形式;即,具有足够能量的脉冲以展宽为具有合适谱宽的sc谱,而不会还在谱中引入过高水平的背景噪声。这种“稍微更高的能量水平”在这里有时也被称为“优化”以便与利用高功率种子脉冲的现有技术趋势相区别。在本发明的示例性实施例中,增益光纤32可以表现出约27db/m的泵浦光束吸收,并且对于这种典型的吸收,已经发现约1.5m的长度ler产生脉冲能量在1-2nj范围内的种子脉冲(其与脉冲持续时间为150fs的7-14kw范围内的峰值脉冲功率相关联)。

来自edfa30的这些优化种子脉冲在图2中被示为耦合到单模光纤20中,在该特定实施例中,其被表示为具有大约0.3m的长度。如上所述,光纤20用于压缩种子脉冲(在包括edfa30的实施例中,这可能是更必要的),从而在进入高度非线性光学介质14之前增加每个脉冲的强度。

可以回想起,为了提供适当宽且平滑的sc输出光谱,高度非线性元件14的一个或多个正色散hnlf组件被配置成具有相对于负色散hnlf组件的长度相对短的长度。在图2所示的特定实施例中,高度非线性元件14包括单个p-hnlf区段160和单个n-hnlf区段180,它们具有预定色散值(在种子脉冲波长处测量的)并且被选择为具有特定长度,使得色散和长度的组合产生期望的sc输出光谱。例如,p-hnlf区段160在1550nm波长处可呈现出约+6ps/(nm-km)量级的色散+d。对于该色散值,p-hnlf区段160形成为具有约20mm的长度lphnlf。n-hnlf区段180可以表现出在1550nm处的约-7ps/(nm-km)量级的色散d,并且在这种情况下被形成为具有约1m量级的长度lnhnlf。在更一般的意义上,已经发现,使用长度小于约0.1m的p-hnlf区段和长度大于约0.2m的n-hnlf区段能够提供具有在约1-2nj范围内的受控脉冲能量的短持续时间种子脉冲的足够的光谱展宽,如上所述。

图3示出了基本上如图2所示配置的本发明的sc光源10a产生的示例性sc光谱。应当理解,尽管edfa30和脉冲源40的特定值适于提供足够宽和平滑的输出,但是种子脉冲能量水平、edfa增益(以及甚至是否需要提供附加功率)和每个hnlf区段的色散/长度参数的其他组合可以以应用特定的方式来调整。另外,诸如偏振模色散(pmd)和环境温度变化的效应可能导致非偏振保持光纤(非pm光纤)内的光的偏振状态改变并影响sc光源10的输出光谱。因此,在这些因素可能是所关心的情况下,由偏振保持光纤形成的配置将显著地减少基于偏振的光谱变化,而不会否则影响在第一种情况下用于产生sc输出的特定(色度)发散。

本发明的另一方面涉及通过调整引入到hnlf区段的种子脉冲的输入功率来微调所产生的sc光谱的特性(即,谱宽度(△ν)和功率谱密度(psd)的变化)的能力。对于正色散和负色散hnlf(以及相关联的光纤区段长度)的特定组合,将存在一个或多个优化的种子脉冲功率,其创建具有足够的光谱带宽的超连续谱,而不引入影响光谱响应的平坦性的结构和/或噪声。

在元件的初始组装时,种子脉冲输入的功率水平可以被设置在相对低的水平,然后功率增加以尽可能多地扩展所生成的sc输出的频谱范围,直到在所生成的sc输出频谱中开始出现不可接受的噪声/结构水平为止。也就是说,根据本发明的原理,可以调整种子脉冲功率以找到具有足够宽的输出而没有不适当的噪声水平的“甜蜜点(sweetpoint)”。当达到该功率水平时,该功率水平可以被定义为用于特定组件的“最优”种子脉冲功率。

图4示出了提供调节种子脉冲功率水平的能力的示例性sc光源10b。如图所示,sc光源10b包括光放大器组件(edfa30a)以补充来自激光脉冲源40的输出功率。因此,根据该实施例,edfa30a形成为“可调谐”光放大器,其中泵浦源34a的输入功率被调谐以找到优化种子脉冲功率水平。特别地,泵浦源34a被示为包括激光二极管33和用作激励激光二极管33的输入的驱动电流源35。在图4所示的特定实施例中,驱动电流源35是可调节的,允许输入电流增加,从而增加从泵浦源34a出射的泵浦光束的功率水平,并随后作为输入施加到edfa30a的增益光纤32(经由wdm36)。在一个示例性实施例中,可以调节驱动电流以在150-300mw的范围上调节泵浦功率。在一个具体的结构中,具有图2所示的值,发现200mw的优化泵浦功率(popt)提供了能量为1-2nj的数量级的种子脉冲,从而表现出约7-14kw范围内的峰值脉冲功率(对于约150fs的脉冲持续时间)。

图5示出了本发明的另一实施例,其中在这种情况下,所示sc光源10c包括高度非线性光学介质14c,其包括一组四个hnlf区段。在如图5所示的特定实施例中,介质14c由第一p-hnlf区段16c1(具有第一定义的d+色散值并由第一(相对短的)长度lc1形成)和第二p-hnlf区段16c2(具有第二定义的d+色散值并形成为具有第二(短的)长度lc2)组成。p-hnlf区段16c1、16c2的色散和长度值可以是类似的。如图所示,介质14还包括一对n-hnlf区段18c1和18c2,其中区段18c1被设置在p-hnlf区段16c1和16c2之间,并且区段18c2被设置在p-hnlf16c2之外,并且因此提供来自sc光源10c的输出。再次,调整区段18c1和18c2的特定色散d-和长度值,以便产生表现出足够宽和平滑的分布的sc输出光谱。

本发明的另一实施例利用由光源10提供的宽且平滑的sc光谱(在如上所述的各种实施例中的任何一个中,或者视情况而定的其它特定配置中)来产生“时间拉伸”输出,该“时间拉伸”输出非常适合用于诸如光学相干断层扫描之类的应用中。特别地,所生成的超连续谱穿过高度色散介质以产生“时间拉伸”输出。即,其中各个波长成分以间隔开的方式离开光源的输出,以便允许相关联的光电检测器测量各个波长成分的功率水平。

图6示出了根据本发明的原理形成的示例性全光纤时间拉伸sc光源70,用于在由光源10产生的给定sc输出内提供分离的波长成分的时间拉伸输出。如图所示,来自高度非线性光学介质14的sc光输出被用作专用色散元件72的输入。为了产生在各个波长成分之间具有足够间隔的时间拉伸输出,同时如上所述在sc输出光谱内保持稳定性和最小强度变化,专用色散元件72被形成为在相关的光谱带宽上呈现高品质因数(fom,figure-of-merit)。为了本发明的目的,“高fom”定义为色散与损耗的大比率。

适合这个目的特殊色散元件的示例类型是如美国专利申请15/970,900中所述的高fom光纤(具有75ps/(nm-km)以上的色散),该专利申请被转让给本申请的受让人,并在此引入作为参考。这种特殊的特殊色散光纤对于以1450nm波长为中心的400nm宽光谱范围,在75-275ps/nm/db范围内具有fom。

根据本发明的该实施例的原理,只要在到高度非线性光学介质14的输入处的脉冲强度被保持在特定色散元件72中的非线性效应将否则产生稳定性的显著变化(例如,强度波动变得太大)的水平以下,输入超连续谱光源噪声/稳定性水平将确定拉伸的输出的噪声稳定性。对于大多数应用,特定色散元件的参数(在光纤区段的情况下,这些参数是其平均色散d和长度ldf)应当被优化以提供接近一致的“占空比”。如根据本发明的教导所使用的,术语“占空比”描述了从第一波长成分到最后一个波长成分“扫描”经过时间拉伸的输出脉冲所需的时间间隔与相邻的经过时间拉伸的脉冲的上升沿之间的时间间隔(称为“循环时间”)的比率。在我们的共同未决申请序列号[westergaard3]中可以找到对该主题的全面讨论,该申请转让给本申请的受让人,并在此引入作为参考。

保持与上面结合图2所讨论的光源10相同的操作参数,包括具有大约1.7km的长度和75-275ps/(nm-km)范围内的正色散的特殊元件72被用于产生图7所示的时间拉伸输出。特别地,图7是作为波长(沿着底部轴示出的波长值)的函数的功率谱(dbm/nm)的曲线图。该图的“时间-拉伸”方面沿跨过顶轴的时间轴示出。特别地,时间轴是从右到左读取的,并且时间轴定义了各个波长成分在相关联的光电检测器处的“到达时间”。

尽管已经根据目前优选的实施例描述了本发明,但是应当理解,这种公开不应被解释为限于这些具体配置。实际上,在阅读了上述公开内容之后,各种替代方案和修改方案对于本领域技术人员无疑将变得显而易见。因此,所附权利要求应被解释为覆盖落入本发明的精神和范围内的所有替换和修改。

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