CN101499856A - 光脉冲压缩器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光脉冲压缩器，具有：包含向输入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤的啁啾单元，并具有包含异常光纤的色散补偿器。形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大，并且，使得异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。

Description

光脉冲压缩器

技术领域

本发明涉及光脉冲压缩器，特别是涉及在用于产生高强度短光脉冲的光源中使用的光脉冲压缩器。

背景技术

用于产生高强度短光脉冲的现有方法中的一种是压缩从各种光脉冲源输出的光脉冲的方法。基于光纤的非线性效果，大致存在两种脉冲压缩器。

第一种是使用正常色散光纤和色散补偿器的脉冲压缩器。

在这种情况下，正常色散光纤由于自相位调制(SPM)和群速度色散(GVD)效果而具有给予输入脉冲近线性正啁啾(chirp)的作用。光脉冲在被输入到具有正常色散的光纤时在光谱上变宽并在整个脉冲宽度上被正啁啾。

脉冲在穿过光纤之后被发送到具有衍射光栅对的色散补偿器并且由于异常GVD被压缩。正常色散意味着时间轴上的延迟对于较短的波长较大，并且，引起这种色散被称为执行正啁啾或给予正啁啾。异常色散意味着延迟对于较长的波长较大。使用正常色散光纤和色散补偿器的该压缩器将被特别称为啁啾补偿压缩器。

第二种是使用异常光纤的脉冲压缩器。在这种情况下，输入脉冲由于孤子效果而被压缩。孤子是这样一种现象或者是表示该现象的脉冲本身，在该现象中，由于因光纤的GVD引起的脉冲变宽均衡了由于因光纤的异常导致的SPM而引起的脉冲缩短，因此脉冲在没有波形变化的情况下在光纤中传播。

这里，由于SPM效果随着光脉冲的强度增加，因此高强度光脉冲在经由光纤传播的过程中被压缩。在这种情况下，存在输入脉冲的强度越高则压缩因子(输入脉冲宽度除以输出脉冲宽度)越高的趋势。这种具有异常色散光纤的压缩器将被特别称为高阶孤子压缩器(high-order soliton compressor)。

Tai等人的论文(Applied Phys.Lett.，vol.48，pp.1034-1035(1986))表明，通过连续使用上述两种方法的二级压缩器，实现1100的高压缩因子。

该实验使用由在1.32μm(微米)的波长下操作的模式锁定的钕：钇铝石榴石(YAG)激光器产生的100ps(皮秒)输入脉冲。通过使用具有正常色散光纤和衍射光栅对的上述啁啾补偿压缩器，实验的第一级压缩产生压缩到2ps的宽度的脉冲。该脉冲进一步被第二级高阶孤子压缩器压缩以获得具有90fs(飞秒)的脉冲宽度的所得输出脉冲。

上述的啁啾补偿压缩器已被有利地用于比块体石英的零色散波长(约1.3μm)短的波长。这是由于普通石英光纤对于比块体石英的零色散波长短的波长表现出正常色散。另一方面，通过仔细选择构成光纤的材料和折射率轮廓(profile)，可以实现对于比块体石英的零色散波长(约1.3μm)长的波长表现出正常色散的光纤。可通过主要包含例如四氟化锆(ZrF4)和四氟化铪(HfF4)的氟化物光纤实现这种光纤。

通过使用对于比块体石英的零色散波长长的波长表现出正常色散的光纤，可将啁啾补偿压缩器应用于这些波长。在这些波长中的操作的优点包含通过用主要包含石英的一个异常光纤代替衍射光栅对，实现低成本和稳定的全光纤压缩器。

发明内容

在上述的论文(Applied Phys.Lett.，vol.48，pp.1034-1035(1986))中说明的结构具有问题。具体地，由于在第一级啁啾补偿压缩器中使用衍射光栅对，因此它十分昂贵，并且，存在由于扰动等导致的光轴的位移会导致整个系统不稳定的担心。此外，在第二级高阶孤子压缩器中，输出脉冲一般包含基座(pedestal)(主脉冲以外的能量分量)。由于作为总脉冲能量的百分比给出的基座的能量具有随输入脉冲的强度增加的趋势，因此用于高强度输入脉冲的压缩器需要进一步的改进。

换句话说，需要在其色散补偿器中没有衍射光栅对并且即使对于高强度的输入脉冲也实现具有很少基座的压缩的脉冲压缩器。

根据本发明的光脉冲压缩器包括：啁啾单元，包含向输入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤；和色散补偿器，包含补偿从啁啾单元向输入脉冲提供的正啁啾的异常光纤。形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大，并且，异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。

根据本发明的光脉冲压缩器，由于形成色散补偿器的异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度并且孤子阶数为一或更大，因此可以以使得减少或抑制基座分量的量的方式控制脉冲。

从以下参照附图对示例性实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的光脉冲压缩器的示意图。

图2示出对于N＝1、2和3，经由色散补偿器传播的正啁啾脉冲的脉冲峰值强度变化。

图3是根据本发明的另一实施例的光脉冲发生器的示意图。

图4示出图3的色散补偿器314的输出脉冲的时间形状。

图5示出图3的第二补偿器317的输出脉冲的时间形状。

具体实施方式

首先，将表示与压缩器有关的基本参数以及表明它们与实际物理量的关系式。将参数定义如下。

P₀：初始脉冲峰值强度(W)

T₀：初始脉冲宽度(ps)

β₂：二阶群速度色散(ps²/km)

γ：光纤的非线性系数(W^-1km^-1)

C：啁啾量(ps²)

然后，色散长度L_D(km)、非线性长度L_NL(km)、归一化孤子振幅A、和孤子阶数N分别由式(1)到(4)给出：

L_D＝T₀ ²/|β₂|         (1)

L_NL＝1/γP₀           (2)

A＝(γP₀T₀ ²/|β₂|)^1/2   (3)

N＝最接近A的整数     (4)

根据本发明的实施例的光脉冲压缩器包含：啁啾单元，具有向输入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤；和色散补偿器，具有用于补偿由啁啾单元提供的输入脉冲的正啁啾的异常色散光纤。

将形成色散补偿器的异常色散光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为1或更大。另外，使得异常色散光纤的长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。结果，实现光脉冲压缩器。

现在将参照附图说明实施例。

图1示意性地表示根据本发明的实施例的光脉冲压缩器。

输入脉冲L₁被输入到啁啾单元1并在光谱上变宽，并在那里在整个脉冲宽度上被正啁啾。该脉冲在穿过啁啾单元之后被发送到色散补偿器2，在色散补偿器2中它被压缩。

以下将详细说明根据本发明的实施例的光脉冲压缩器的各组件。

用于本实施例中的啁啾单元1包含在输入脉冲的整个波长范围上表现出正常色散的光纤。可被用作这些光纤的例子包含用于1.3μm或更小的波长的单模石英光纤、用于从1.3到1.5μm的波长的色散偏移光纤、和用于1.5μm或更大的波长的氟化物或色散补偿光纤。为了在光纤内获得正啁啾，光纤需要具有大约L_D或L_NL或更大的长度。作为替代方案，可以使用诸如掺杂铒的光纤(EDF)的具有放大功能的光纤。在这种情况下，由于正常GDS和SPM之间的分布增益的交互作用，因此在正常色散掺杂稀土的光纤中产生具有线性正啁啾的高强度抛物线脉冲。

本实施例中的色散补偿器2是在已被啁啾单元1执行了正啁啾的脉冲的整个波长带上表现出异常色散的光纤。可用于这种光纤的例子包含在1.3μm或更大的波长的情况下的单模石英光纤和一些低孔隙率(porosity)光子晶体光纤(PCF)；以及小于1.3μm的波长的情况下的一些高孔隙率PCF。

在本实施例中，形成色散补偿器2的异常色散光纤的非线性系数γ和二阶群速度色散β₂被设置为使得被输入到色散补偿器2的啁啾孤子脉冲的阶数N变为1或更大。将N设为1或更大的原因在于，例如当N＝0时不形成下面说明的光孤子。换句话说，由于被输入到光纤的脉冲经受不均衡的因GVD引起的变宽和由于因光纤的异常导致的SPM引起的变短，因此，当N＝0时不形成光孤子。

注意，例如通过以下设置获得具有孤子阶数N＝1的孤子：初始脉冲峰值强度P₀＝5W，初始脉冲宽度T₀＝1ps，二阶群速度色散β₂＝-20ps²/km，光纤的非线性系数γ＝3W^-1km^-1。从而，A＝0.866，导致所得的N＝1。

作为例子，图2表示当脉冲被输入到色散补偿器2时正啁啾脉冲的脉冲峰值强度如何在色散补偿器2内变化。

这里，通过输入的啁啾脉冲的峰值功率(peak power)将峰值强度(纵轴)归一化。当孤子阶数N＝0(图中的虚线)时，由于色散补偿器2的异常GVD的影响，因此啁啾脉冲首先被压缩，并且，其峰值强度在传播距离L_dc处达到最大值。

在超过传播距离L_dc时，异常GVD对压缩的脉冲执行负啁啾。由此，脉冲变宽，并且其峰值强度减小并会聚于零。从现实的观点确定对于光纤的非线性系数γ和二阶群速度色散β₂所允许的值的范围，并且，可以适当地确定初始脉冲宽度的值范围。考虑这些点，从式(4)可以理解，当N＝0时初始脉冲峰值强度P₀不可避免地变小，即，N＝0的情况不适用于高强度脉冲压缩器。

同样，对于N＝1，光纤的异常GVD首先处于主导并且工作以补偿正啁啾，由此压缩脉冲并增加峰值强度。从而，脉冲变宽并且其峰值强度减小。但是，在此后不久，峰值强度重新向着形成孤子增加，并继续随传播距离周期变化，从而导致孤子的形成。这里，开始周期变化的传播距离z_s被定义为光孤子形成所需要的长度。

注意，在形成光孤子之后的峰值强度的周期变化的中心小于1。这是由于在啁啾脉冲发展成光孤子的过程中脉冲能量的一部分与主峰值分开。由此分开的脉冲能量的该部分在主峰的基线(base)上以基座的形式传播。光孤子形成所需要的长度z_s是具有单峰值的脉冲由于基座的形成变为具有三个或更多个峰值的脉冲的传播距离。为了获得具有很少的基座的高质量脉冲，希望使得形成色散补偿器2的异常光纤的长度等于或更希望地小于光孤子形成所需要的长度z_s。

由于对于较小的扰动光孤子一般是稳定的，因此当被输入到色散补偿器2的啁啾脉冲具有大的啁啾量C时，不形成光孤子。在这种情况下，啁啾脉冲不能维持具有单一峰值的脉冲形状，由此使得压缩困难。由此，被输入到色散补偿器2的啁啾脉冲的啁啾参数C需要比临界值C_cr小。依赖于N的啁啾参数的临界值C_cr具有根据N增加的趋势。

图2表示允许没有基座的最大压缩因子的色散补偿器2的光纤长度与峰值强度变得局部最大的最小可能传播距离z_opt对应。由光纤的GVD和SPM之间的平衡确定的色散补偿器2的该最佳光纤长度z_opt是比对于N＝0的图中的最佳长度L_dc短并且与峰值强度变得局部最大的传播距离对应的长度。这里，通过使用啁啾量C和二阶群速度色散β₂由下式给出L_dc。

L_dc＝-C/β₂   (5)

注意，实际上可从由式(5)给出的L_dc使用截短(cutback)技术来获得z_opt。

由此，如上所述，通过使得色散补偿器2的光纤长度为比N＝0处的最佳长度L_dc短并使得峰值强度变得局部最大的长度，确定由于SPM缩短的最佳光纤长度。因此，可实现避免产生基座的最大可能压缩因子。

对于N>1的色散补偿器2内的脉冲的行为是复杂的，但在初始阶段与N＝1的情况类似。图2表示随N增加，最佳光纤长度缩短并且相应的峰值强度增加。这是由于通过因色散补偿器2中的SMP的影响引起的光谱变宽进一步增强了压缩效果。适用于本发明的孤子阶数N可以为N＝1，并且，另外，N＝2、3或更大。鉴于产生诱导的拉曼散射的阈值，孤子阶数的上限为例如150或更小，并且期望地为10或更小。

色散补偿器可由单一异常色散光纤形成，或者，可在没有任何限制的情况下由不同种类的异常色散光纤形成，只要它们总体用作本发明的实施例中的色散补偿器。

并且，还可通过组合上述的光脉冲压缩器和光脉冲源实现光脉冲发生器。在这种情况下，可以在抑制基座的同时压缩来自例如飞秒激光源的输出脉冲，从而允许产生具有很少的基座的超短脉冲。

图3示意地表示根据本发明的另一实施例的光脉冲发生器。

为了简单起见，在图3中没有表示诸如透镜的耦合部分。参照该图，本实施例的光脉冲发生器包含具有啁啾单元321和色散补偿器314的第一压缩器以及具有高度非线性光纤(HNLF)317的第二压缩器。换句话说，从飞秒脉冲发生器301输出的短光脉冲在两个级中被压缩。注意，在本发明的实施例中根据需要设置第二压缩器。

飞秒脉冲发生器301是在48MHz的频率下周期产生具有约1560nm的中心波长和约300fs的脉冲宽度的短光脉冲的铒光纤激光器。平均功率为约5mW。为了后面的压缩过程中的有效压缩，期望飞秒脉冲发生器301的脉冲在时域中具有包含单一峰值的双曲线正割(双曲正割sech)形状，并具有接近傅立叶变换极限的质量。通过使用λ/2波长板302的偏振调整将从飞秒脉冲发生器301输出的初始脉冲输入到啁啾单元321。

啁啾单元321包含预啁啾单模光纤303和EDF 304。在本实施例中，与正常GVD和SPM一起使用EDF 304允许产生容易在后面被色散补偿器314补偿的线性的正啁啾抛物线脉冲。由于异常GVD的影响，因此输入脉冲在预啁啾单模光纤303内延长。由此，脉冲峰值强度被暂时限制，并且EDF304内的过量的非线性效果受到控制，从而导致有效的放大。预啁啾单模光纤303的长度需要被仔细确定以实现EDF304的理想操作。例如，具有约4.5m的长度的预啁啾单模光纤303被期望是合适的。

在预啁啾单模光纤303内在时间上被延长的脉冲被输入具有6m的长度的EDF 304。该脉冲被经由调整偏振的偏振控制器311输入到EDF 304。在图3的配置中，EDF 304被经由波分复用(WDM)耦合器309到310以及偏振光束组合器308连接的三个半导体激光器305到307激励。半导体激光器305到307的波长和强度分别为1480nm和400mV。

根据本实施例，在图3中的啁啾单元321的输出处期望在整个脉冲上具有大致线性的正啁啾的760fs宽的啁啾脉冲。在这种情况下，啁啾量C为0.014ps²。

由于色散补偿器314中的异常GVD的影响，因此来自啁啾单元321的啁啾脉冲被压缩。

在本实施例中，使用大模面积光子晶体光纤(large-mode-areaphotonic crystal fiber，LMA-PCF)作为色散补偿器314。尽管LMA-PCF具有26μm大的模场(mode-field)直径，但它是允许单模传播的光纤。由此，减少不利于色散补偿的高阶非线性效果的影响。这里，二阶群速度色散β₂和非线性系数γ分别为-30.3ps²/km和0.182W^-1km^-1。期望色散补偿器314的非线性系数γ为0.5W^-1km^-1或更小。通过使得非线性系数γ小，高阶非线性的不利效果减小，由此可以防止不利的频率偏移和脉冲的崩塌(collapse)。

在本实施例中，由于在啁啾单元321的输出端处的WDM耦合器的光纤和LMA-PCF之间存在大的模场直径差异，因此，通过隔离器313，啁啾脉冲被输入到作为色散补偿器314的LMA-PCF。通过经由隔离器313执行输入，可以防止由于模式失配引起反射光不利地反向流入EDF 304中。在本实施例中，隔离器313的输出处的啁啾脉冲被期望具有390mW的脉冲强度。

如式(4)给出的，被输入到色散补偿器314的啁啾脉冲的孤子阶数N为5。根据式(5)，假定N＝0，那么最佳光纤长度L_dc被计算为46cm。由此，通过使用从L_dc的初始光纤长度开始的截短方法，LMA-PCF的最佳长度z_opt被计算为约42cm。注意，图3中的标号312表示反射镜。

图4表示本实施例的色散补偿器314的输出处的脉冲的时间形状。如图所示，通过本实施例，可期望具有很少的基座并具有55fs的脉冲宽度和280mW的脉冲强度的脉冲。

图4的脉冲通过穿过由高度非线性光纤(HNLF)317形成的第二压缩器被进一步压缩。输入到HNLF 317的脉冲通过λ/2波长板315和偏振光束分离器316被线性偏振。图5表示通过具有1.5cm长度的HNLF 317再压缩之后的脉冲形状。通过二级配置，可以产生具有很少的基座的脉冲宽度17fs的所得超短脉冲。因此，可通过使用第一和第二压缩器实现更高的压缩因子。

日本专利No.2711778说明了由正常色散光纤和异常色散光纤形成的啁啾补偿压缩器。可以说，由于输入脉冲的强度衰减到使得抑制色散补偿器中的SPM的水平，因此该压缩器具有孤子阶数N＝0。

由于在这种情况下色散补偿器中的SPM是可忽略不计的，因此可容易地通过使用具有从式(5)计算的最佳长度L_dc的异常光纤实现脉冲压缩。但是，由光纤形成的色散补偿器的非线性系数γ是有限的，并且二阶群速度色散β₂也具有上限。由此，当输入脉冲具有高强度(例如，10kw或更高的峰值强度)时，难以在不使脉冲强度衰减的情况下维持孤子阶数N＝0。因此，在日本专利No.2711778中说明的技术不适用于用于高强度脉冲的压缩器。

即使当日本专利No.2711778中的啁啾补偿器被用于上述论文(Applied Phys.Lett.，vol.48，pp.1034-1035(1986))的二级压缩器，第一级中的啁啾补偿压缩器也限制脉冲强度。出于该原因，第二级中的高阶孤子压缩器将不具有有效的压缩，即，总体上没有获得足够大的压缩因子。

如上所述，根据本实施例的光脉冲发生器可产生具有很少的基座的高强度超短脉冲。主要通过利用在第一级压缩器中形成孤子的过程中GVD处于主导的状态，使得这一点变为可能。这允许在一直抑制基座的同时进行多级压缩，从而导致形成使用有利的全光纤系统的具有等于或小于20fs的宽度的超短脉冲。

根据本发明的光脉冲压缩器可被应用于用于产生太赫兹脉冲的光源。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有的这些修改以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.一种光脉冲压缩器，包括：

啁啾单元，包含向输入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤；和

色散补偿器，包含补偿从啁啾单元向输入脉冲提供的正啁啾的异常光纤，

其中，形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大，并且，

其中，异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。

2.根据权利要求1的光脉冲压缩器，

其中，对于孤子阶数0，形成色散补偿器的异常光纤的光纤长度短于使得色散补偿器内的脉冲的峰值强度变得局部最大的光纤长度，并且，

其中，形成色散补偿器的异常光纤的光纤长度被设置为使得从色散补偿器输出的脉冲的峰值强度变得局部最大。

3.根据权利要求1的光脉冲压缩器，其中，形成色散补偿器的正常色散光纤为掺杂稀土的光纤。

4.根据权利要求1的光脉冲压缩器，其中，啁啾单元和色散补偿器被设置为第一压缩器，并且，光脉冲压缩器具有由异常光纤形成的第二压缩器。

5.根据权利要求1的光脉冲压缩器，其中，光脉冲压缩器不包括衍射光栅。

6.根据权利要求1的光脉冲压缩器，其中，色散补偿器不包括衍射光栅。

7.一种被配置为包含光脉冲源和根据权利要求1的光脉冲压缩器的光脉冲发生装置。

8.一种光脉冲压缩方法，包括以下步骤：

通过使输入脉冲穿过包含正常色散光纤的啁啾单元，向输入脉冲提供正啁啾；并且

通过使输入脉冲穿过包含异常光纤的色散补偿器，补偿在提供步骤中提供的正啁啾，

其中，提供和补偿步骤不包括使输入脉冲穿过衍射光栅，并且，

其中，异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。

9.根据权利要求8所述的光脉冲压缩方法，

其中，在补偿步骤中，形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大。

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