基于耗散孤子模式光纤的光学参量振荡器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年6月23日提交的美国申请No. 14/312,407、2013年7月 12日提交的美国临时申请N〇.61/845,767以及2014年3月14日提交的美国临时申请 No. 61/953,434的权益。美国申请No. 14/312,407以及美国临时申请No. 61/845, 767和 61/953, 434的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本公开总体涉及基于光纤的光学参量振荡器。
【背景技术】
[0004] 基于光学参量相互作用的光源是令人关注的，因为它们提供对现有的基于电子跃 迀的增益材料不能提供的激光波长的使用。光学参量振荡器（0P0)可以通过利用宽范围的 晶体中的χ(2)非线性光学响应或者光纤中的X(3)非线性响应来实现。
[0005] 基于光纤的0P0(F0P0)由于它们在实现低成本、免对准（alignment)且紧凑的激 光器系统、同时仍提供非常宽的调谐范围和高功率操作上的潜力而特别有吸引力。
[0006] F0P0的操作本质上是基于简并四波混频（FWM)，其中，两个栗浦（pump)光子与 光纤相互作用以产生信号光子和空闲光子。信号光子和空闲光子的确切频率由相位匹 配条件定义，该相位匹配条件取决于栗浦激光器波长、其峰值功率以及光纤的色散分布 (profile)。存在栗浦0P0的两种常见方式。第一种方法是连续栗浦，其中，栗浦激光器是 连续波激光器或者产生与0Ρ0腔体往返时间相比的长脉冲的激光器。第二种方法是基于脉 冲栗浦激光器的同步栗浦。在第二种方法中，栗浦激光器与0Ρ0腔体同步。
[0007] 超快同步栗浦F0P0在过去已被证实。然而，过去的F0P0的输出脉冲能量和峰值 功率一直相当适中。过去已生产的在输出脉冲能量和峰值功率方面最佳的超快F0P0多达 2nJ脉冲能量和~12kW峰值功率）。用于实现这的技术是使用仅2cm光纤长度，并且腔体 的其余部分是自由空间光学器件。该实现避免了非线性效应的不利影响，但是要求大部分 自由空间组件的使用，所以需要自由空间对准，并且伴随这样的系统的问题。在全光纤激光 腔或大部分全光纤激光腔中，需要的是高功率超快F0P0。还需要的是，在提供高输出脉冲能 量的同时在宽的范围上调谐F0P0的发射波长的能力。
【发明内容】
[0008] 实施例是光纤光学参量放大器，包括：输入端口，所述输入端口用于接收栗浦波长 的、具有第一脉冲持续时间的光学栗浦脉冲；以及谐振腔。所述谐振腔包括：第一耦合器， 所述第一耦合器用于将所述光学栗浦脉冲耦合到谐振腔中；线性光纤光学增益介质，所述 线性光纤光学增益介质具有负的色散，在离开所述线性光纤光学增益介质之后，所述线性 光纤光学增益介质增加栗浦脉冲的强度，并且将第一栗浦脉冲持续时间增加到第二栗浦脉 冲持续时间；非线性光纤光学增益介质，所述非线性光纤光学增益介质具有正的色散，所述 非线性光纤光学增益介质向离开所述线性光纤光学增益介质的光提供参量增益，在离开所 述非线性光纤光学增益介质之后，非线性光学增益介质将来自离开线性光学增益介质之后 的栗浦脉冲的能量传送到具有第一信号脉冲持续时间的信号脉冲；以及功率分配器。所述 功率分配器接收离开所述非线性光纤光学增益介质的光，并且提供：离开所述非线性光纤 光学增益介质的光的第一部分给输出端口以离开所述谐振腔；和离开所述非线性光纤光 学增益介质的光的第二部分被反馈到所述谐振腔中，使得它通过所述线性光纤光学增益介 质。在离开所述线性光纤光学增益介质之后，所述线性光纤光学增益介质将具有第一脉冲 持续时间的信号脉冲的脉冲持续时间增加到第二信号脉冲持续时间。
[0009] 在替代实施例中，由所述功率分配器提供的离开所述非线性光纤光学增益介质的 光的第二部分经由所述第一耦合器反馈到谐振腔中。
[0010] 在替代实施例中，还包括用于提供光学栗浦脉冲的种子激光器。
[0011] 在替代实施例中，所述谐振腔还包括光学延迟线。
[0012] 在替代实施例中，线性增益介质是掺饵光纤光学放大器。
[0013] 在替代实施例中，所述谐振腔还包括非增益光纤，所述非增益光纤不提供光学增 益，并且具有比所述非线性光纤光学增益介质的色散大的色散。
[0014] 在替代实施例中，通过改变所述栗浦脉冲的重复率来改变离开所述输出端口的光 的峰值波长。
[0015] 在替代实施例中，所述谐振腔还包括：第一波分复用器，所述第一波分复用器用于 将所述谐振腔中的光分成信号光和空闲光，其中，所述信号光具有包括所述信号脉冲的第 一波长范围，并且空闲波长具有不同于所述第一波长范围的第二波长范围；第二波分复用 器，所述第二波分复用器用于组合所述信号光和空闲光，其中，组合的光一起往回行进通过 所述谐振腔；第一光纤，所述第一光纤将来自所述第一波分复用器的信号耦合到第二波分 复用器；以及第二光纤，所述第二光纤将来自所述第一波分复用器的信号耦合到第二波分 复用器。
[0016] 在替代实施例中，所述第一光纤的长度不同于所述第二光纤的长度。
[0017] 在替代实施例中，所述第一光纤的材料属性不同于所述第二光纤的材料属性。
[0018] 在替代实施例中，通过改变所述栗浦脉冲的从由以下构成的组中选择的至少两个 属性来改变离开所述输出端口的光的峰值波长：所述栗浦脉冲的重复率；所述栗浦脉冲的 中心波长；所述栗浦脉冲的峰值功率；所述栗浦脉冲的重复频率。
[0019] 在替代实施例中，所述信号脉冲是孤子，并且通过所述谐振腔中的耗散孤子锁模 来防止脉冲中断（break)。
[0020] 在替代实施例中，通过改变所述谐振腔的长度来改变离开所述输出端口的光的峰 值波长，并且在所述谐振腔内不存在谱过滤器（filter)。
[0021] 从以下参照附图对示例性实施例的详细描述，进一步的特征和方面将变得清楚。
【附图说明】
[0022] 并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了示例性实施例。
[0023] 图1是F0P0的第一示例性实施例的图示。
[0024] 图2是第一示例性实施例的信号波长和空闲波长的图示。
[0025] 图3是第一示例性实施例的色散图。
[0026] 图4是第一示例性实施例的功率和谱的图示。
[0027] 图5是色散位移光纤中的光功率的演变（evolution)的图示。
[0028] 图6是在谐振腔中传播的脉冲的能量和持续时间的演变的图示。
[0029] 图7是F0P0的第二实施例的图示。
[0030]图8是作为高非线性光纤的波导中的栗浦光与参量增益谱之间的关系的图示。
[0031] 图9A-B示出增益谱宽度的演变的模拟结果。
[0032] 图10是F0P0的第六实施例的图示。
[0033] 图11是F0P0的第十实施例的图示。
[0034] 图12A-C是实验结果的图示。
[0035] 图13是F0P0的第^^一实施例的图示。
[0036] 图14A-D是调谐范围的图示。
[0037] 图15是F0P0的第十三实施例的图示。
[0038] 图16A-F是调谐范围的图示。
[0039] 图17是在F0P0中使用的光纤的色散的图示。
【具体实施方式】
[0040] 以下将参照附图描述实施例。
[0041] 导致脉冲中断的非线性失真一直是限制基于掺稀土增益光纤的标准超快光纤激 光器中的输出峰值功率和脉冲能量的主导因素。为了减小激光腔中的非线性失真，0P0可以 被设计为在谐振器内具有高啁嗽（chirp)脉冲，这有效地减小腔内峰值功率，并且提供脉 冲能量缩放（scale)能力。在正常色散区（regime)中操作0P0可以帮助确保0P0的激光 腔中的用于栗浦、空闲和信号中的一个或多个或全部的啁嗽脉冲形成。正常色散区是指当 以ps/nm/km为单位，整个0Ρ0谐振腔的长度平均色散小于零时。反常色散区是指当以ps/ nm/km为单位，整个0P0谐振腔的长度平均色散大于零时。
[0042] 第一示例性实施例
[0043] 第一示例性实施例是在正常色散区中操作的同步栗浦光纤光学参量振荡器 (F0P0)。F0P0在输出处产生啁嗽脉冲，其允许重大的脉冲能量缩放潜力，而没有脉冲中断。 F0P0在1600nm处的平均输出功率为~60mW;对应于1. 45nJ脉冲能量和~55%斜率功率 转换效率。直接来自F0P0的输出脉冲是高啁嗽的（~3ps持续时间），并且可以通过使用 具有反常色散的标准光纤压缩器而在腔体的外部被压缩到180fs。
[0044] 第一示例性实施例100是在正常色散区中操作的同步栗浦F0P0,并且通过栗浦源 (种子激光器、栗浦激光器）102栗浦，该栗浦源102可以是如图1中所示的紧凑型掺饵飞秒 光纤激光器。F0P0在输出104处产生啁嗽脉冲，其允许重大的脉冲能量缩放潜力，而没有脉 冲中断。从F0P0在1600nm处获得的输出平均功率为~60mW，这对应于~1. 45nJ脉冲能量 (考虑42MHz重复率）和~55 %斜率功率转换效率。直接来自F0P0的输出脉冲是高啁嗽 的，具有~3ps的持续时间，但是它们可以在F0P0腔体的外部（通过使用具有反常色散的 标准光纤）被压缩到~180fs。
[0045] 图1是正常色散F0P0腔体的示意图。栗浦源是工作在1560nm的掺饵飞秒光纤激 光器，其中光纤锥被嵌入在碳纳米管/聚合物复合可饱和吸收体中。该实施例中的激光器 的重复率为42MHz，这对应于约4. 9m的腔长。种子激光器102发射具有400fs的脉冲持续 时间和约~lmW输出平均功率的近变换极限脉冲。种子激光器102耦合到第一偏振控制器 106a。第一偏振控制器106a可能已被接合到波分复用器（WDM)耦合器108a的C端口。第 一WDM耦合器108a可以是C/L带（band)熔接光纤耦合器。
[0046] 来自种子激光器的脉冲串通过使用第一WDM耦合器108a而被耦合到F0P0腔体 中。第一WDM耦合器108a的复用端口被接合到第二WDM耦合器108b的信号端口。第二WDM 耦合器108b可以是980/1550熔接光纤耦合器。第一 980nm栗浦激光器110a被连接到第 二WDM耦合器108b的栗浦端口。熔接光纤耦合器的复用端口被耦合到掺饵光纤（EDF) 112。 EDF112被接合到第三WDM耦合器108c的复用端口。第三WDM耦合器108c可以是980/1550 熔接光纤耦合器。第二980nm栗浦激光器110b被连接到第三熔接光纤耦合器108c的栗浦 端口。
[0047] 来自种子激光器的脉冲串被掺饵光纤放大器（EDFA)放大，该掺饵光纤放大器 (EDFA)如上所述位于F0P0腔体的内部。脉冲作为种子进入EDFA，并且作为栗浦离去。 EDF112的长度为24m，并且如上所述，它是从两侧被栗浦的。EDF的色散在1560nm处约 为-20ps/nm/km，并且在1600nm处约为_17ps/nm/km。经放大的栗浦脉冲串在EDFA之后的 最大平均功率被测量为约175mW(受可用的980nm栗浦功率限制）。
[0048]EDFA的输出离开被