CN102023454B - 利用高次模光纤的生成的光学连续谱的压缩 - Google Patents

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Abstract

一种用于在光学连续谱源的输出处提供脉冲压缩的装置(在光谱切分应用中有利地使用)包括：高次模(HOM)光纤段，其用于展现至少在部分预定波长范围的预定色散以及大于40μm2的有效区域，HOM光纤的色散被选择以补偿由光学连续谱源引入的色散。HOM光纤从那生成压缩的脉冲输出。输入模式转换器用于将产生的连续谱从与传统连续谱源相关联的基模转换为用于执行脉冲压缩的HOM光纤支持的高次模。带通滤波器用于将连续谱信号的带宽限制到与模式转换器的高效转换范围以及HOM光纤的期望色散特征相关联的带宽。

Description

利用高次模光纤的生成的光学连续谱的压缩
技术领域
本发明涉及从连续谱生成源产生压缩的输出脉冲，并且更详细地，涉及利用高次模(HOM)光纤的一个或多个段以及基于光纤的连续谱生成源来移除积累的光谱相位并且将输出压缩为超短(例如飞秒(fs)，通常是亚皮秒)光学脉冲。
背景技术
在光纤光学领域有各种应用，其中高功率、低噪声的宽带光源(连续谱)具有特别的关注。例如，对于“光谱切分”正在进行努力；即，使用单个光源来生成不同波长的多个信号(即波分复用(WDM)信号)。这样的应用因而具有用单个光源替代许多激光器的潜力。其它应用包括但不限于：频率计量、设备特征化、对于特定光纤的色散测量以及光栅的传输特征的确定。通过具有产生多个不同信号波长的能力的宽带源的可用性，可以大大地改善所有的这些各种诊断工具。
通常，连续谱生成包括将相对高功率激光脉冲投入光学光纤、波导或其它微结构中，其中由于在光纤中的非线性交互作用，激光脉冲列经历明显的光谱加宽。在连续谱生成方面的当前努力(通常在千米长的光纤中使用具有皮秒(10-12秒)级的时长的光学脉冲执行)不幸地表现出在生成处理中的一致性(coherence)的下降。
具有低色散斜率和小的有效区域的相对新型的掺杂了锗的硅质光纤(这里称为“高非线性光纤”或HNLF)近期已经被开发。尽管HNLF的非线性系数比使用小核芯微结构光纤获得的非线性系数小，由于HNLF的小的有效区域，该系数比标准传输光纤的系数大几倍。使用HNLF和飞秒光纤激光的连续谱生成已经从各种来源报告。一个现有技术装置利用从已经被熔合到一起的、HNLF光纤的多个独立段形成的基于HNLF的连续谱源，每个段具有在光源波长的不同色散值以及在5到15平方微米之间的有效区域。另一种类型的基于HNLF的连续谱源使用后构造处理来修改HNLF的色散值并且进一步延伸生成的连续谱的光谱边界。
对于光谱切分的特定应用，必须移除在连续谱生成处理中积累的光谱相位以实现期望的“超短”(例如fs或亚皮秒)输出脉冲宽度。更详细地，需要色散补偿来抵消在通过HNLF的信号传播中产生的负色散。过去，通过使用块料光学部件(例如棱镜对)来实现该色散补偿。优选地提供“全光纤”解决方案，消除块料光学器件的需要。然而，在短的波长(即比在大约1300nm-1400nm的HNLF的零色散波长短的波长)，退出HNLF的连续谱被负地线性调频(chirp)并且需要正的色散光纤用于再压缩。在短的波长实现光纤中的正色散是困难的，并且通常需要微结构光纤或光子能带隙光纤。然而，这两种光纤都具有相对小的有效区域Aeff(在5-10μm2的级别)，并且作为结果受到非线性的影响。
因而，在本领域需要一种全光纤装置，用于将来自连续谱源的光谱切分的组分压缩到fs级别。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的需求，本发明涉及从连续谱生成源产生压缩的输出脉冲，并且更详细地，涉及利用高次模(HOM)光纤的一个或多个段以及连续谱生成源来移除积累的光谱相位并且将输出压缩为超短(例如fs)脉冲。
根据本发明，HOM光纤段设置在连续谱源的输出处并用于移除至少部分积累的光谱相位(即执行色散补偿，根据在连续谱的生成中积累的相位的特性信号中的色散补偿可以是正的或负的)，因而产生期望的脉冲压缩。HOM光纤展现作为波长的函数的规定色散特征(大小和斜率)，具有例如在规定波长范围上的正色散的区间。输入模式转换器(例如长周期光栅(LPG))设置在HOM光纤的输入处，以将传播模式从连续谱源输出处的基模LP01转换为由HOM光纤支持的高次模(例如LP02)。输入模式转换器还具有规定的操作带宽，在该带宽上提供强模式转换。带通滤波器沿着信号路径设置以移除在优选范围之外的波长组分，该优选范围与HOM光纤期望色散特征和强模式转换的输入模式转换器区域相关联，因而提供色散补偿的压缩输出脉冲。HOM光纤的长度由补偿光学相位和预线性调频(pre-chirp)的线性和非线性源需要的色散补偿量确定。
在本发明的一个实施例中，带通滤波器设置在连续谱源的输出处，将带宽受限的连续谱信号提供给输入模式转换器。在这种情况下，输入模式转换器和HOM光纤的优选操作区域之外的连续谱输出的光谱区间被防止沿着信号路径进一步传播。
在另一个实施例中，带通滤波器设置在HOM光纤的输出处并且用于从输出脉冲流中移除没有经历色散补偿的任何剩余的波长组分，而仅提供色散补偿的压缩输出脉冲。
在本发明的另一个实施例中，第二模式转换器(例如LPG)可以被设置在HOM光纤的输出处以在期望时将压缩脉冲的模式重新转换回基模LP01。在这种情况下，带通滤波器也会考虑第二模式转换器的可操作带宽。
通过下述讨论以及参考附图，将显而易见本发明的其它和进一步的实施例。
附图说明
现在参考附图。
图1说明了根据本发明的包括基于HOM光纤的脉冲压缩的示例连续谱源；
图2是来自非线性光学系统的示例连续谱输出的图；
图3是HOM光纤的示例段的色散特征的图，示出了沿着相关的波长范围的正色散区间；
图4是由HOM光纤支持的LP02模式光学信号的图像；
图5示出了本发明的另一个实施例，把输出模式转换器并入图1的实施例中；
图6示出了本发明的另一个实施例，利用在非线性光学系统的输出处串行设置的一对(不同带宽的)带通滤波器；
图7说明了本发明的实施例，其中带通滤波器设置在HOM光纤的输出处；
图8示出了图7的实施例的变型，在HOM光纤和带通滤波器之间包括输出模式转换器；
图9说明了本发明的特定配置，使用一对长周期光栅(LPG)作为输入和输出模式转换器；
图10是示出对于根据图5的系统从1550nm的波长处的飞秒脉冲生成的连续谱实现的传输光谱的图；以及
图11包括在压缩前(图11(a))以及压缩后(图11(b))在本发明的HOM模块中的自相关信号的图。
具体实施方式
图1说明了根据本发明的用于在连续谱源的输出处提供脉冲压缩的示例装置。在该特定实施例中，示例连续谱源包括连接至非线性光学系统12的飞秒(fs)铒激光脉冲源10。示例激光脉冲源在例如1580nm的输入波长处生成脉冲，具有30MHz的重复率、7mW的平均功率以及188fs的半峰全宽(FWHM)脉冲宽度。示例非线性光学系统包括高非线性光纤(HNLF)段。尽管在该图中未示出，在激光器10和非线性光学系统12之间的信号路径中可以包括光纤放大器以激励进入系统12的信号功率。
光学系统12的非线性特征已知将不同程度的色散引入传播脉冲，导致生成可能延伸超过从例如850nm至2.7μm之上的波长范围的连续谱输出。图2说明了能够由脉冲源10和非线性光学系统12的组合生成的示例连续谱。该示例全光纤连续谱源的完整描述能够在美国专利6775447中找到，该专利于2004年8月10授予J.W.Nicholson等并转让给本申请的受让人，因而通过引用包括于此。
如上所述，图2所示的连续谱然后能够沿着光谱被“切分”为不同波长的多个超短脉冲。这些波长切片适用于例如密集波分复用(DWDM)的应用，使得能够从单个激光源产生多个不同波长源。连续谱的光谱切分也是有利的，因为被切分的脉冲在时间上与原始生成的脉冲同步。然而，为了实现超短脉冲宽度，在连续谱生成中沿着非线性光学系统12积累的光谱相位(正或负色散)必须被移除(或至少部分地被移除)。以ps/nm-km表示的色散是对于输入和输出信号之间在相位上的偏移的度量。色散斜率，即沿着光学信号路径的色散变化率，是影响在非线性光学系统12的输出处的信号特征的另一个因素。色散和色散斜率的特征都是用于连续谱生成的非线性光学系统的特定参数。
根据本发明，一段高次模(HOM)光纤20用于将色散引入生成的连续谱，该段HOM光纤20的长度L被选择以提供期望程度的色散(以及关联的色散斜率)以补偿(至少部分补偿)在非线性光学系统12的输出处的色散。在大多数情况下以及在相关的波长下，生成的连续谱初始会展现正常(负)色散，并且HOM光纤20因而配置用于提供反常(正)色散。在非线性光学系统12的输出处的色散斜率通常是被忽视的参数，但是提供关于当信号传播通过系统12时相位演变的信息。HOM光纤20的特征因而可以被设计为基本匹配在应用为其输入的信号中存在的色散斜率。
已知HOM光纤在特定波长范围展现高的正色散(例如在1080nm的+55ps/nm-km的色散值D)并且具有比使用现有技术脉冲压缩技术能够实现的有效区域(Aeff)大几倍的Aeff(与现有技术光纤的5-10μm2相比，HOM光纤的Aeff通常在40-50μm2的级别)。应当理解在特定情形下，连续谱将展现反常色散并且HOM光纤段因而配置用于引入足够量的负色散以允许产生超短脉冲。
图3示出了由HOM光纤的示例段展现的色散，阴影区域A指示与产生正色散相关联的波长范围(λ1-λ2)(即从大约900nm至1200nm)。正色散的特定区间与HOM光纤的特定参数相关联，并且因而可以被调节以使得正色散的波长范围能够与生成的连续谱的波长范围相关。
图4是在示例HOM光纤中作为高次模信号(在这种情况下，LP02模式)传播的光学信号的图。对于该示例光纤，测量有效区域(Aeff)对于1080nm的操作波长是大约44μm2。为了本发明的目的，HOM光纤的这些特性(正色散和在期望波长范围的相对大的有效区域)允许实现脉冲压缩配置并且与连续谱源一起使用。
由于来自非线性光学系统12的输出连续谱将传播作为基础LP01模式信号，在本发明的装置中需要模式转换器来将传播的基础LP01模式转换为由HOM光纤20支持的高次模。参考图1，输入模式转换器24设置在非线性光学系统12的输出和HOM 20的输入之间以将传播信号的能量从基模转换为与HOM光学20相关联的高次模(例如LP02模式)。输入模式转换器24也展现图1的(λa-λb)所示的波长范围，在该范围上提供强模式转换。HOM光纤20与输入模式转换器24的组合在图1中被示为形成HOM模块26。
在比较图2的连续谱光谱与HOM光纤20的色散特性时，很清楚在图2中被示为阴影区域B的HOM光纤20沿着其提供正色散的波长范围(λ1-λ2)大于生成的连续谱的波长范围(λa-λb)。另外，任何没有耦合进入输入模式转换器24中的LP02模式而是保持在LP01模式的光将继续传播并且当经过HOM光纤20时展现增加的(以及非期望的)色散积累。在图2中将波长范围(λa-λb)示为阴影区域C，在该范围之上将发生最强的模式转换。应当理解示出的值是示例的并且实际上λa可以小于λ1和/或λb可以大于λ2。
因而，根据本发明，带通滤波器(BPF)22包括在脉冲压缩装置中并且选择具有不大于与HOM光纤20的正色散特征相关联的波长范围(λ1-λ2)以及输入模式转换器的工作带宽(λa-λb)的带宽(λi-λii)。关系如下式表示：
λi≥λ1，λa；以及
λii≤λ2，λb。
在图2中将对于BPF 22的示例通带(λi-λii)示为阴影区域D。显然，可以使用更窄的带宽，但是更窄的带宽带来在输出处更长的压缩脉冲。带通滤波器22可以包括任何适当类型的滤波器，例如光栅滤波器、块料光学设备等。
在图1的特定实施例中，BPF 22设置在非线性光学系统12和输入模式转换器24之间。因而，BPF滤波器22将限制施用为至输入模式转换器24的输入的连续谱信号的波长范围，避免在非期望LP01模式中的光在HOM光纤20中继续传播。由于BPF 22的带宽也被选择以对应于HOM 20中的正色散的波长区间，当脉冲压缩发生时，之后应用到HOM 20的信号将经历色散补偿。
图5说明了使用图1的配置的本发明的另一个实施例，在该情况下，输出模式转换器28被包括在HOM模块26中并且被设置在HOM光纤20的输出处。包括第二个模式转换器提供了将被压缩的输出脉冲重新转换回基模(LP01)信号。输出模式转换器28被示为在波长范围(λa2-λb2)展示强模式转换，该波长范围与输入模式转换器24的波长区间可能不同。在采用输出模式转换器的情形下，BPF 22被优选地配置为当选择优选通带范围时也考虑该设备的特性。
图6说明了利用在非线性光学系统12和HOM光纤20之间串行设置的一对带通滤波器的本发明的特定实施例。具体地，该实施例被示为包括第一带通滤波器30以及第二较窄带通滤波器32，第一带通滤波器30展现例如1050-1500nm的通带(λi1-λii1)，第二较窄带通滤波器32展现展现例如1050-1080nm的通带(λi2-λii2)。带通滤波器30和32串行设置在非线性光学系统12的输出以及模式转换器24的输入之间。因而，输入模式转换器24配置用于提供在带通滤波器32的较窄1050-1080nm带宽内的强模式转换。应当理解，这些特定滤波器的通频带值以及一对滤波器的使用(替代单个滤波器或更大数目的滤波器)仅是示例；可以使用各种其它串联滤波装置来适当地限制应用到HOM脉冲压缩模块的信号的带宽。
图7说明了本发明的可选实施例，在该情况下BPF 22设置在HOM光纤20的输出处。没有进行任何先前滤波，来自HOM光纤20的输出脉冲将包括色散补偿的压缩脉冲即在与正色散相关联的波长范围(λ1-λ2)内的脉冲以及已经经历额外负色散的残留信号(可能是基模信号)。在这种情况下，BPF 22被选择具有将防止信号的残留部分的进一步传播而仅允许色散补偿的压缩脉冲退出装置的通带。如同图5的实施例，图7的实施例可以被进一步配置以包括输出模式转换器，将BPF 22设置在输出模式转换器28之后。图8说明了利用输入模式转换器24以及输出模式转换器28的本发明的示例脉冲压缩装置，其中BPF 22位于输出模式转换器28之后。在该情况下，BPF 22展现也考虑了输出模式转换器28的带宽(λa2-λb2)的带宽，在带宽(λa2-λb2)上将发生强模式转换。
图9说明了图5中说明的本发明的实施例的特定配置。在该配置中，输入和输出模式转换器24、28采用长周期光栅(LPG)的形式。使用LPG作为模式转换器被认为是本发明的优选实施方式，因为LPG能够被直接形成在光学光纤段中并且熔合至HOM光纤20的末端而不引入重大的信号损失。
图10描绘了对于图9的实施例从非线性光学系统12的输出至HOM模块26的输出的脉冲压缩的生成。图I说明了在非线性光学系统12的输出处的光谱。图II是通过使用滤波器30和32产生的窄光谱。最后，图III示出了在HOM模块26的输出处的光谱。
滤波的连续谱的自相关也在HOM模块26的输入和输出处测量，并且结果在图11中示出。具体地，图11(a)说明了在HOM模块26的输入处的自相关，并且图11(b)说明了在HOM模块26的输出处的自相关。参考图11(a)，时标被示为以皮秒(ps)测量并且自相关被示为是在宽度的几皮秒。相反，图11(b)的自相关脉冲时标以飞秒(fs)测量并且被示为在宽度的大约98fs，对应于66fs脉冲FWHM值。这些结果与具有+55ps/nm-km的色散值D以及44μm2的有效区域Aeff的HOM光纤20相关联。可以使用色散和有效区域的其它值的同时，应当理解在任何情况下根据本发明形成的HOM模块能够执行对于各种类型的光学连续谱源的脉冲压缩。
从上述发明，将显而易见本发明的实施例可以以多种方式变化。这样的变化不应当被认为是偏离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有这样的变型应当包括在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于提供光谱加宽的光学连续谱信号的脉冲压缩的系统，包括：
非线性光学系统，其在其输入处连接到激光脉冲源，其中激光脉冲在经非线性光学系统传播中经历光谱加宽，并且作为光谱加宽的光学连续谱信号从非线性光学系统导出；
高次模光纤段，其至少在所述光谱加宽的光学连续谱信号的带宽850nm－2.7μm，定义为(λ1－λ2)上展现预定色散特征，所述预定色散特征被选择以至少部分地补偿在所述非线性光学系统输出的所述光谱加宽的光学连续谱信号中存在的积累的光谱相位，所述高次模光纤段在其输出处生成压缩的光学脉冲；
输入模式转换器，其设置在至所述高次模光纤段的输入处，用于在规定转换器带宽(λa－λb)上将所述光谱加宽的光学连续谱信号的基模转换为高次模光学信号；以及
带通滤波器，其用于接收所述光谱加宽的光学连续谱信号并且将所述光谱加宽的光学连续谱信号限制在带宽范围(λi－λii)，其中
λi≥λ1，λa；以及
λii≤λ2，λb
以提供色散补偿的压缩光学输出脉冲。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
输出模式转换器，其连接在所述高次模光纤段的输出处，用于将高次模压缩光学脉冲重新转换为基模输出光学信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述带通滤波器设置在所述输入模式转换器的输入处之前。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述带通滤波器设置在所述高次模光纤段的输出处。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入模式转换器包括长周期光栅(LPG)。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述带通滤波器包括串行设置的多个带通滤波器，每个带通滤波器具有不同的带宽。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述高次模光纤支持高次模，并且所述输入模式转换器提供在所述基模和所述高次模之间的转换。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述高次模光纤支持LP02模式信号。
9.一种用于压缩光学脉冲的方法，包括步骤：
a)生成基模光学连续谱信号，通过将高功率激光脉冲列投入非线性光学系统，其中激光脉冲列由于在所述非线性光学系统中的非线性化而经历光谱加宽，以产生波长范围超过850nm－2.7μm的光谱加宽的光学连续谱信号；
b)以可操作波长范围(λa－λb)将所述光谱加宽的光学连续谱信号转换为高次模信号；
c)将步骤b)的转换后的信号投入高次模光纤段，所述高次模光纤段具有选择成用于补偿沿规定带宽(λ1－λ2)存在的积累光谱相位的色散和长度；
d)过滤光学信号以移除小于第一规定波长λi和大于第二规定波长λii的波长，其中
λi≥λ1，λa；以及
λii≤λ2，λb
以及
e)在所述高次模光纤段的输出处产生压缩的光学脉冲。
10.根据权利要求9所述的方法，其中步骤a)包括步骤：
i)提供在第一波长操作的输入光学脉冲源以生成输入光学脉冲流；以及
ii)将所述输入光学脉冲流连接到高非线性光纤段(HNLF)并且在所述高非线性光纤段中产生基模光谱加宽的光学连续谱信号。
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