CN103339561A - 宽带光源 - Google Patents

Abstract

所提供的是能够输出峰值功率降低的宽带光的宽带光源。一种宽带光源（1），其配备有脉冲光源（10）、光纤（非线性光学介质）（11）、带衰减滤波器（12）和回光单元（20）。光纤（11）接收从脉冲光源（10）输出的脉冲光，通过利用光纤内部的非线性光学效应来将脉冲光的光谱展宽来产生超连续光，并且输出超连续光。回光单元（20）在输入端和输出端之间具有多个光路，多个光路中的任何一个光路的至少一部分被形成为环形光路。回光单元（20）在输入端处接收从光纤（11）输出并且经过带衰减滤波器（12）的超连续光，并且通过多个光路引导超连续光，然后从输出端输出通过多个光路引导的超连续光。

Description

宽带光源

技术领域

本发明涉及在非线性光学介质中产生超连续光（supercontinuum light）的宽带光源。

背景技术

当具有高峰值功率的脉冲光进入非线性光学介质（例如，光纤）中时，出现非线性光学效应（例如，自相位调制、四波混频和拉曼散射），因而产生具有新波长分量的光。因此，脉冲光的光谱展宽，从而产生超连续光。由于具有宽光谱带以及在空间上处在单模式模态下，因此超连续光期望被应用于各个领域。

JP2009-092570A讨论了产生超连续光的宽带光源。该宽带光源将从脉冲光源输出的脉冲光分为多个支脉冲光束。这些支脉冲光束被赋予不同的强度，被彼此不同地延迟，并且使这些支脉冲光束进入非线性光学介质中。双输入双输出光耦合器被用作将从脉冲光源输出的脉冲光转换为多个脉冲光束的转换装置。将从脉冲光源输出的脉冲光输入至该光耦合器的第一输入端，并且使从第一输出端输出的脉冲光进入非线性光学介质中。此外，将从第二输出端输出的脉冲光输入至第二输入端，从而形成循环光路。

具有上述构造的宽带光源将从脉冲光源输出的各脉冲转换为在时间轴上分离的多个回波脉冲，并且使所述多个回波脉冲进入非线性光学介质中。由于各回波脉冲具有不同的功率，因此光谱在非线性光学介质中展宽的方式随着回波脉冲的不同而不同，引起光谱中的纹波的不同的周期和相位。因此，从非线性光学介质输出的超连续光可以具有纹波降低的光谱。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供能够输出峰值功率降低的宽带光的宽带光源。

解决问题的手段

根据本发明的一种宽带光源包括：（1）脉冲光源，其以实质上固定的时间间隔重复输出具有实质上固定的脉冲宽度的脉冲光；（2）非线性光学介质，其接收从所述脉冲光源输出的脉冲光，通过该非线性光学介质内的非线性光学效应来将所述脉冲光的光谱展宽以便产生超连续光，并且输出该超连续光；以及（3）回光单元，该回光单元在其输入端和输出端之间具有多个光路。所述多个光路中的至少一个光路充当循环光路。所述回光单元经由所述输入端接收从所述非线性光学介质输出的超连续光，通过所述多个光路引导所述超连续光，并且从所述输出端输出由所述多个光路引导的超连续光。

在根据本发明的宽带光源中，所述回光单元优选地包括：光耦合器，其具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。所述光耦合器优选地将输入至所述第一输入端或所述第二输入端的光分为两个光束，并且分别从所述第一输出端和所述第二输出端输出所述两个光束。此外，所述回光单元优选地配备有循环光路，该循环光路将所述第二输入端和所述第二输出端进行光学连接并且给予传播延迟T。假设从所述脉冲光源输出的脉冲光的脉冲宽度定义为t并且从所述脉冲光源输出的脉冲光的时间间隔定义为p，则优选地方程式（1）的关系成立：

t<T<p/10        （1）。

在根据本发明的宽带光源中，所述回光单元中的光耦合器优选地包括M个光耦合器，M是大于或等于2的整数。此外，所述回光单元优选地配备有循环光路，该循环光路将所述M个光耦合器中的第i个光耦合器的第二输入端和第二输出端进行光学连接，并且该循环光路具有传播延迟T[i]。优选地，假设a和b是整数1或2，则由方程式（2）定义的脉冲重叠参数d为0.75或更大，所述方程式（2）为：

$\begin{array}{cc}d=\underset{i<j}{\min }\left|\mathrm{aT}\right[i]-\mathrm{bT}[j\left]\right|/t& i,j=1,...,M\end{array}---\left(2\right),$

并且以下方程（3）成立：

max(T[i])＜p/10  i=1,...,M        （3）。

优选地，根据本发明的宽带光源还包括：带阻滤波器，其具有损耗谱，该损耗谱在以所述脉冲光源所输出的脉冲光的中心波长为中心且全宽为10nm或更大的波段外部的波长范围中具有较大的损耗。所述带阻滤波器优选地接收从所述非线性光学介质输出的超连续光，把根据所述损耗谱的损耗给予所述超连续光，并输出所述超连续光。

本发明的有益效果

根据本发明的宽带光源能够输出峰值功率降低的宽带光。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的宽带光源的示意图。

图2是用于确定根据第一实施例的宽带光源中的脉冲重叠参数d的表。

图3是根据本发明的第二实施例的宽带光源的示意图。

图4是根据比较示例的宽带光源的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明的各实施例。在各附图中，相同的组件被赋予相同的附图标记，并且省略重复的描述。

在JP2009-092570A所讨论的宽带光源中，从光耦合器输出的回波脉冲的峰值功率足够高，以引起非线性光学介质中的非线性光学效应，并且从非线性光学介质中输出的超连续光的峰值功率也是高的。结果，例如，将该超连续光用作测量的照明光可能引起如下的问题：比如，由在将超连续光传输至被测对象的光纤内还出现的非线性光学效应引起的光谱形状的变形；将超连续光传输至被测对象的光学系统中出现反射降低涂层的劣化或光纤端面的燃烧；或者由脉冲光的吸收或脉冲光的强光学电场而瞬间产生的热量引起的被测对象的损坏。相比之下，根据本发明的宽带光源可以输出峰值功率降低的宽带光。

第一实施例

图1是根据本发明的第一实施例的宽带光源1的示意图。宽带光源1包括脉冲光源10、光纤（非线性光学介质）11、带阻滤波器12和回光单元20。

脉冲光源10以实质上固定的时间间隔重复输出具有实质上固定的脉冲宽度的脉冲光。在此情况下，“实质上固定的”脉冲宽度和“实质上固定的”时间间隔指的是，除了它们会因诸如下列之类的意外因素而改变之外它们都是固定的：供给光源的电源电压的波动，光源中产生的噪声，以及光源环境温度的波动；并且波动范围通常可以控制在±5%以内。

脉冲光源10优选为能够输出具有高峰值功率的脉冲激光的脉冲激光光源。脉冲光源10的优选示例包括：将稀土掺杂光纤用作放大介质的光纤激光光源；通过将稀土掺杂光纤用作放大介质的光纤放大器对来自半导体激光器等的种子光进行放大的主控振荡器功率放大器（MOPA）光源；以及钛蓝宝石激光光源。

在上述的光纤激光光源或MOPA光源中，如果添加到稀土掺杂光纤中的稀土元素是Er元素，则输出的脉冲光的波长是1550nm；或者，如果添加到稀土掺杂光纤中的稀土元素是Yb元素，则输出的脉冲光的波长是1060nm。来自钛蓝宝石激光光源的输出脉冲光的波长是800nm。来自脉冲光源10的输出脉冲光的脉冲宽度通常大致在100fs和10ns之间变化。来自脉冲光源10的输出脉冲光的峰值功率通常为1kW或更高。

充当非线性光学介质的光纤11接收从脉冲光源10输出的脉冲光，通过该光纤内的非线性光学效应来将脉冲光的光谱展宽以便产生超连续光，并且输出该超连续光。光纤11可以是特殊类型的光纤，例如高非线性光纤或光子晶体光纤；或者可以是兼容ITU-T G.652的单模光纤（即，所谓的标准单模光纤）。

脉冲光源10优选地以100kHz的重复周期来产生具有1550nm的中心波长、1ns的脉冲宽度和6kW的峰值功率的脉冲光。可以基于MOPA方法来实现这样的脉冲光源10。光纤11优选为标准单模光纤。该组合在低成本方面是有优势的，这是因为没有使用诸如高非线性光纤或光子晶体光纤之类的特殊类型的光纤。此外，该组合的优势还在于，由于出现了主要包括拉曼散射的非线性光学效应以及调制不稳定性，因此可以获得在1600nm和1800nm之间变化的波长的大约1mW/nm的相对高的功率密度。

因为包含许多C-H键的材料（例如，脂类）在1700nm波长的附近具有明显的吸收峰值，所以输出这样的光谱波段中的超连续光的宽带光源1适合于检测诸如脂类之类的材料。可选地，可以以除了上述组合以外的各种组合来实现脉冲光源10和光纤11。

带阻滤波器12具有损耗谱，该损耗谱在以从脉冲光源10输出的脉冲光的中心波长为中心且处于全宽为10nm或更大的波段的外部波长范围中具有较大的损耗（例如，在10dB和20dB之间变化的损耗）。带阻滤波器12接收从光纤11输出的超连续光，把根据损耗谱的损耗施予超连续光，并输出超连续光。带阻滤波器12的优选示例包括：在光纤的纤芯处倾斜地形成有布拉格衍射光栅的倾斜光纤光栅，以及利用了光纤的纤芯模式和包层模式之间的光耦合的长周期光纤光栅。

在从脉冲光源10输出的脉冲光的中心波长附近，超连续光具有由来自脉冲光源10的输出脉冲光引起的光谱峰值，并且由于其光谱密度比其它光谱波段中的光谱密度高10dB至20dB，因而难以被用于测量。然而，在配备有这样的带阻滤波器12的情况下，降低了超连续光的光谱密度中的非均匀性。而且，由于降低了超连续光的总功率，因此降低了用于传输超连续光的传输光纤内的光谱的变形或者由脉冲光引起的故障（例如，对光学组件和被测对象的损坏）的出现。

回光单元20在其输入端和输出端之间具有多个光路，并且所述多个光路中的至少一个光路充当循环光路。回光单元20经由输入端接收从光纤11输出并且已经过带阻滤波器12的超连续光，通过多个光路来引导超连续光，并且从输出端输出由多个光路引导的超连续光。

回光单元20包括四个光耦合器21₁、21₂、21₃和21₄。每个光耦合器21_i（i=1，2，3或4）具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，并且能够以50:50的分支比来将输入至第一输入端或第二输入端的光分为两个光束，以及分别从第一输出端和第二输出端输出这两个光束。每个光耦合器21_i的第二输入端和第二输出端通过光纤22_i来彼此光学地连接，从而形成具有循环长度L[i]和传播延迟T[i]的循环光路。

带阻滤波器12和第一级光耦合器21₁的第一输入端通过光纤23₁彼此连接。第一级光耦合器21₁的第一输出端和第二级光耦合器21₂的第一输入端通过光纤23₂彼此连接。第二级光耦合器21₂的第一输出端和第三级光耦合器21₃的第一输入端通过光纤23₃彼此连接。第三级光耦合器21₃的第一输出端和第四级光耦合器21₄的第一输入端通过光纤23₄彼此连接。第四级光耦合器21₄的第一输出端连接至光纤23₅。

假设将从脉冲光源10输出的脉冲光的脉冲宽度定义为t并且将从脉冲光源10输出的脉冲光的时间间隔定义为p，则每个传播延迟T[i]优选满足方程式（4）：

t<T[i]＜p/10  i=1,...,M        （4）

以及方程式（5）：

max(T[i])＜p/10  i=1,...,M        （5）

在这些表达式中，回光单元20包括M个光耦合器21₁，……，21_M，M是大于或等于2的整数。

在第一实施例中，各循环长度如下：L[1]=0.32m，L[2]=0.48m，L[3]=0.80m以及L[4]=1.20m。由于各光纤22₁、22₂、22₃和22₄由二氧化硅基玻璃构成并且具有大约1.46的群折射率，因此传播光的群速度是0.2m/ns。结果，各传播延迟如下：T[1]=1.6ns、T[2]=2.4ns、T[3]=4.0ns以及T[4]=6.0ns。各个传播延迟分别是来自脉冲光源10的输出脉冲光的1ns的脉冲宽度的1.6倍、2.4倍、4.0倍和6.0倍。

结果，在将脉冲光输出至光纤23₅时，在绕着由每根光纤22_i形成的循环光路循环一次或两次之后输出的相对强的脉冲光在时间轴上不与其它脉冲光重叠。因而，输入至回光单元20的输入端的超连续光的峰值功率在从回光单元20的输出端输出超连续光时被降低至大约1/16。

通过以此方式将峰值功率降低的超连续光用于测量，减少了由脉冲光引起的故障的出现，所述故障例如是传输光纤内光谱的变形或者是对光学组件和被测对象的损坏。通过增加光耦合器的级数量可以进一步降低峰值功率。

更一般地，假设回光单元20包括M个光耦合器21₁、……、21_M并且a和b是整数1或2，则由方程式（6）定义的脉冲重叠参数d优选为0.75或更大，该方程式（6）为：

$\begin{array}{cc}d=\underset{i<j}{\min }\left|\mathrm{aT}\right[i]-\mathrm{bT}[j\left]\right|/t& i,j=1,...,M\end{array}---\left(6\right).$

当脉冲重叠参数d为0.75或更大时，循环脉冲光束的重叠被抑制为相对于脉冲宽度的25%或更低，从而实现有利的峰值功率降低效果。

图2是用于确定根据第一实施例的宽带光源1中的脉冲重叠参数d的表。图2示出关于a和b值以及i和j值的aT[i]-bT[j]的绝对值，还示出与关于各绝对值的行或列相对应的各最小值。在具有上述循环长度L[i]的第一实施例中，脉冲重叠参数d是0.8。

如果从脉冲光源10输出的脉冲光的重复周期是100kHz，则脉冲光的时间间隔p是0.01ms。该时间间隔p大于或等于最长循环光路的传播延迟T[4]=6.0ns的1600倍。因此，在不同的重复周期中的脉冲光束的重叠可以忽略不计。因为每个光耦合器21_i的分支比是50:50，所以脉冲光在绕着循环光路循环10次以后的峰值功率是(1/2)¹⁰≈1/1000，该值可以忽略不计。因此，最长循环光路的传播延迟优选为小于或等于时间间隔p的1/10。

第二实施例

图3是根据本发明的第二实施例的宽带光源2的示意图。宽带光源2包括脉冲光源10、光纤（非线性光学介质）11、带阻滤波器12和回光单元30。根据第二实施例的宽带光源2与根据第一实施例的宽带光源1的区别在于：其配备有用于代替回光单元20的回光单元30。

回光单元30在其输入端和输出端之间具有多个光路，并且所述多个光路中的至少一个光路充当循环光路。回光单元30经由输入端接收从光纤11输出并且已通过带阻滤波器12的超连续光，通过多个光路来传导超连续光，并且从输出端输出由多个光路传导的超连续光。

回光单元30包括四个光耦合器31₁、31₂、31₃和31₄。每个光耦合器31_i(i=1、2、3或4)具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，并且能够以50:50的分支比来将输入至第一输入端或第二输入端的光分为两个光束，以及分别从第一输出端和第二输出端输出这两个光束。第一级光耦合器31₁的第二输出端和第二级光耦合器31₂的第二输入端通过光纤32₁彼此连接。第二级光耦合器31₂的第二输出端和第三级光耦合器31₃的第二输入端通过光纤32₂彼此连接。第三级光耦合器31₃的第二输出端和第四级光耦合器31₄的第二输入端通过光纤32₃彼此连接。第四级光耦合器31₄的第二输出端和第一级光耦合器31₁的第二输入端通过光纤32₄彼此连接。因而，形成了循环光路。

带阻滤波器12和第一级光耦合器31₁的第一输入端通过光纤33₁彼此连接。第一级光耦合器31₁的第一输出端和第二级光耦合器31₂的第一输入端通过光纤33₂彼此连接。第二级光耦合器31₂的第一输出端和第三级光耦合器31₃的第一输入端通过光纤33₃彼此连接。第三级光耦合器31₃的第一输出端和第四级光耦合器31₄的第一输入端通过光纤33₄彼此连接。第四级光耦合器31₄的第一输出端连接至光纤33₅。

在根据第二实施例的回光单元30中，某一个光耦合器的第二输出端和另一个光耦合器的第二输入端通过光纤彼此连接，从而形成循环光路。在第二实施例中，回光单元30具有上述构造，从而增加了与多个光路之间的传播延迟的差异相关的自由度。例如，光纤耦合器具有宽的可传输波段因而适合用作第一实施例中的光耦合器21_i或第二实施例中的光耦合器31_i。另一方面，在如在第一实施例中那样使用各光纤来形成各循环光路的情况下，由于各光纤的最小弯曲半径或熔接所需的额外长度而导致的最小循环长度通常限于大约0.2m。然而，在根据第二实施例的回光单元30中，各支光路之间的传播延迟的差异可以按0.01m的量级来调节。

比较示例

图4是根据比较示例的宽带光源3的示意图。宽带光源3包括脉冲光源10、光纤（非线性光学介质）11、带阻滤波器12和回光单元40。根据比较示例的宽带光源3与根据第一实施例的宽带光源1的区别在于：其配备有用于代替回光单元20的回光单元40。

回光单元40包括十四个光耦合器41₁₁、41₂₁、41₂₂、41₃₁、41₃₂、41₃₃、41₃₄、41₄₁、41₄₂、41₄₃、41₄₄、41₅₁、41₅₂和41₆₁。从带阻滤波器12输入至回光单元40的光被光耦合器41₁₁、41₂₁、41₂₂、41₃₁、41₃₂、41₃₃和41₃₄分为八个光束，并且八支光束中的每一支光束被输入至光耦合器41₄₁、41₄₂、41₄₃和41₄₄中的一个光耦合器的输入端。

然而，从光耦合器41₄₁、41₄₂、41₄₃和41₄₄中的每一个光耦合器的两个输出端中的一个输出端输出的光被输入至光耦合器41₅₁和41₅₂中的一个，而从另一个输出端输出的光没有被利用从而变成损耗。从光耦合器41₅₁和41₅₂中的每一个光耦合器的两个输出端中的一个输出端输出的光被输入至光耦合器41₆₁，而从另一个输出端输出的光没有被利用从而变成损耗。

具有上述构造的回光单元40由于没有任何循环光路并且具有未耦接至输出端的支光路，因而具有低的功率利用效率并且不是优选的。相比之下，根据第一实施例的回光单元20或根据第二实施例的回光单元30使由各光耦合器分支出来的各光束循环，以便将全部的支光束耦接至各输出端，从而实现高的功率利用效率。

工业实用性

根据本发明的宽带光源可以用作测量用照明光源。

Claims (4)

1.一种宽带光源，包括：

脉冲光源，其以实质上固定的时间间隔p重复输出具有实质上固定的脉冲宽度t的脉冲光；

非线性光学介质，其接收从所述脉冲光源输出的脉冲光，通过该非线性光学介质内的非线性光学效应来将所述脉冲光的光谱展宽以便产生超连续光，并且输出该超连续光；以及

回光单元，该回光单元在其输入端和输出端之间具有多个光路，其中所述多个光路中的至少一个光路充当循环光路，并且其中所述回光单元经由所述输入端接收从所述非线性光学介质输出的超连续光，通过所述多个光路引导所述超连续光，并且从所述输出端输出由所述多个光路引导的超连续光。

2.根据权利要求1所述的宽带光源，其中所述回光单元包括：

光耦合器，其具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中所述光耦合器将输入至所述第一输入端或所述第二输入端的光分为两个光束，并且分别从所述第一输出端和所述第二输出端输出所述两个光束；以及

循环光路，其将所述第二输入端和所述第二输出端进行光学连接并且给予传播延迟T，

其中，所述传播延迟T满足方程式（1）：

t<T<p/10        （1）。

3.根据权利要求2所述的宽带光源，

其中所述回光单元中的光耦合器包括M个光耦合器，M是大于或等于2的整数，并且其中所述回光单元配备有循环光路，该循环光路将所述M个光耦合器中的第i个光耦合器的第二输入端和第二输出端进行光学连接，并且该循环光路具有传播延迟T[i]，并且

其中，假设a和b是整数1或整数2，则由方程式（2）定义的脉冲重叠参数d为0.75或更大，所述方程式（2）为：

$\begin{array}{cc}d=\underset{i<j}{\min }\left|\mathrm{aT}\right[i]-\mathrm{bT}[j\left]\right|/t& i,j=1,...,M\end{array}---\left(2\right),$

并且以下方程式（3）成立：

max(T[i])<p/10  i=1,...,M        （3）。

4.根据权利要求1所述的宽带光源，还包括：

带阻滤波器，其具有损耗谱，该损耗谱在以所述脉冲光源所输出的脉冲光的中心波长为中心且全宽为10nm或更大的波段外部的波长范围中具有较大的损耗，其中所述带阻滤波器接收从所述非线性光学介质输出的超连续光，把根据所述损耗谱的损耗给予所述超连续光，并输出所述超连续光。

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