CN105359357B - 基于耗散孤子模式光纤的光学参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

包括谐振腔的光纤光学参量放大器。所述谐振腔包括：具有负的色散的线性光纤光学增益介质；以及具有正的色散的非线性光纤光学增益介质。

Description

基于耗散孤子模式光纤的光学参量振荡器
相关申请的交叉引用
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No.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
本公开总体涉及基于光纤的光学参量振荡器。
背景技术
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迁的增益材料不能提供的激光波长的使用。光学参量振荡器(OPO)可以通过利用宽范围的晶体中的x(2)非线性光学响应或者光纤中的x(3)非线性响应来实现。
基于光纤的OPO(FOPO)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。
FOPO的操作本质上是基于简并四波混频(FWM)，其中，两个泵浦(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泵浦激光器波长、其峰值功率以及光纤的色散分布(profile)。存在泵浦OPO的两种常见方式。第一种方法是连续泵浦，其中，泵浦激光器是连续波激光器或者产生与OPO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泵浦激光器的同步泵浦。在第二种方法中，泵浦激光器与OPO腔体同步。
超快同步泵浦FOPO在过去已被证实。然而，过去的FOPO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FOPO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FOPO。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FOPO的发射波长的能力。
发明内容
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泵浦波长的、具有第一脉冲持续时间的光学泵浦脉冲；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泵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泵浦脉冲的强度，并且将第一泵浦脉冲持续时间增加到第二泵浦脉冲持续时间；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泵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。
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。
在替代实施例中，还包括用于提供光学泵浦脉冲的种子激光器。
在替代实施例中，所述谐振腔还包括光学延迟线。
在替代实施例中，线性增益介质是掺饵光纤光学放大器。
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。
在替代实施例中，通过改变所述泵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。
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。
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。
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。
在替代实施例中，通过改变所述泵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：所述泵浦脉冲的重复率；所述泵浦脉冲的中心波长；所述泵浦脉冲的峰值功率；所述泵浦脉冲的重复频率。
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)。
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)。
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
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。
图1是FOPO的第一示例性实施例的图示。
图2是第一示例性实施例的信号波长和空闲波长的图示。
图3是第一示例性实施例的色散图。
图4是第一示例性实施例的功率和谱的图示。
图5是色散位移光纤中的光功率的演变(evolution)的图示。
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。
图7是FOPO的第二实施例的图示。
图8是作为高非线性光纤的波导中的泵浦光与参量增益谱之间的关系的图示。
图9A-B示出增益谱宽度的演变的模拟结果。
图10是FOPO的第六实施例的图示。
图11是FOPO的第十实施例的图示。
图12A-C是实验结果的图示。
图13是FOPO的第十一实施例的图示。
图14A-D是调谐范围的图示。
图15是FOPO的第十三实施例的图示。
图16A-F是调谐范围的图示。
图17是在FOPO中使用的光纤的色散的图示。
具体实施方式
以下将参照附图描述实施例。
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，OPO可以被设计为在谐振器内具有高啁啾(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OPO可以帮助确保OPO的激光腔中的用于泵浦、空闲和信号中的一个或多个或全部的啁啾脉冲形成。正常色散区是指当以ps/nm/km为单位，整个OPO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OPO谐振腔的长度平均色散大于零时。
第一示例性实施例
第一示例性实施例是在正常色散区中操作的同步泵浦光纤光学参量振荡器(FOPO)。FOPO在输出处产生啁啾脉冲，其允许重大的脉冲能量缩放潜力，而没有脉冲中断。FOPO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FOPO的输出脉冲是高啁啾的(～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。
第一示例性实施例100是在正常色散区中操作的同步泵浦FOPO，并且通过泵浦源(种子激光器、泵浦激光器)102泵浦，该泵浦源102可以是如图1中所示的紧凑型掺饵飞秒光纤激光器。FOPO在输出104处产生啁啾脉冲，其允许重大的脉冲能量缩放潜力，而没有脉冲中断。从FOPO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FOPO的输出脉冲是高啁啾的，具有～3ps的持续时间，但是它们可以在FOPO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。
图1是正常色散FOPO腔体的示意图。泵浦源是工作在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～1mW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。
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FOPO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泵浦激光器110a被连接到第二WDM耦合器108b的泵浦端口。熔接光纤耦合器的复用端口被耦合到掺饵光纤(EDF)112。EDF 112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泵浦激光器110b被连接到第三熔接光纤耦合器108c的泵浦端口。
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FOPO腔体的内部。脉冲作为种子进入EDFA，并且作为泵浦离去。EDF112的长度为24m，并且如上所述，它是从两侧被泵浦的。EDF的色散在1560nm处约为-20ps/nm/km，并且在1600nm处约为-17ps/nm/km。经放大的泵浦脉冲串在EDFA之后的最大平均功率被测量为约175mW(受可用的980nm泵浦功率限制)。
EDFA的输出离开被接合到色散位移光纤(DSF)114的第三WDM108c的信号端口，该色散位移光纤(DSF)114被用作参量增益介质。DSF 114可以是Corning Inc.制造的作为参量增益介质的标准DSF(长度为～5m)。DSF 114的零色散波长(ZDW)可以为1548nm。DSF 114的ZDW处的色散斜率为0.07ps2/nm/km。DSF 114的输出被接合到功率分配器116的输入端口。功率分配器116可以是熔接光纤耦合器。功率分配器可以具有90％/10％分配(split)。90％输出端口可以生成输出信号104。10％输出端口可以被接合到光学延迟线(ODL)118。腔长可以通过使用光纤耦合ODL 118而在几个厘米内被调整。ODL118的输出可以被连接到偏振控制器106b，该偏振控制器106b然后可以被接合到第一WDM耦合器108a的L端口，从而使FOPO的谐振环形腔完整。
基于参量相位匹配条件的理论，如图2所示，产生的信号波长和空闲波长分别被计算为约1510nm和1610nm。
图3是OPO腔体的色散图的图示。空闲波长(1600nm)处的平均腔体色散被估计为约-9ps/nm/km，这在正常色散区中。二向色过滤器也可以被插入在ODL 118处以移除任何残余泵浦光以提高FOPO的稳定性。二向色过滤器还可以阻挡产生的信号波，使得仅空闲波在谐振环形腔中进行往返并且谐振。由于在该腔体中需要的DSF和EDF的长的长度，我们以泵浦激光器的腔长(除EDF和DSF之外，腔体的其余部分由标准SMF-28光纤构成)的7倍操作FOPO。因此，在腔体中同时存在7个循环的空闲脉冲。
在替代实施例中，腔体可以使用更短的EDF 112来使总的腔长更短，使得每一个腔体往返将仅存在一个空闲脉冲。
两个偏振控制器106a-b被用于优化泵浦波和谐振空闲波的偏振状态以实现最佳的转换效率。在替代实施例中，可以始终使用偏振保持光纤。
FOPO腔体内EDFA的引入是提供几个重要优点的新颖特征。EDF提供啁啾脉冲操作所需要的正常色散。1560nm泵浦脉冲也通过传播通过EDF来获取类似的正啁啾。由于增益、Kerr非线性和正常色散之间的相互影响，泵浦脉冲被延伸到皮秒范围，这确保腔体中与谐振空闲的良好的啁啾同步和时间重叠。可以通过移除泵浦阻挡二向色过滤器并且关断(switch off)外部泵浦脉冲串、使得FOPO可以独立地从EDF提供的增益发射激光(约1570nm)来准确地测量FOPO腔长。然后可以通过使用快速光电探测器和RF谱分析仪来测量直接连接到激光腔长的确切的纵模间隔(spacing)。一般地，使OPO的腔长与泵浦激光器的腔长匹配是相当耗时的，因为OPO仅在实现完美的腔长匹配时才会振荡。该方法使得能够实现快速且精确的腔长估计，从而减少构造FOPO所需的时间。
替代实施例可以包括隔离器以确保环形腔在单个方向上操作。隔离器可以是位于第一WDM耦合器108a与第二WDM耦合器108b之间的光纤耦合隔离器。隔离器可以是位于ODL118中的自由空间隔离器。隔离器可以位于功率分配器116的10％端口与第一WDM耦合器108a之间。隔离器可以针对C带、C+L带或L带进行优化。隔离器可以包括二向色过滤器。
第一示例性实施例的实验结果
在FOPO 100的操作期间，泵浦功率一被增大到高于约65mW的阈值水平，就产生空闲脉冲。图4中示出了作为泵浦功率的函数的FOPO输出功率104的演变。图4中还示出了在不同泵浦功率(70mW、120mW和175mW)处的泵浦波、信号波和空闲波的光学谱的演变。FOPO空闲波的谱的清晰的方块状(square-like)形状(其是在正常色散区中操作的锁模激光器的典型谱形状)被观察到。在最高可用泵浦功率处，FOPO的半最大值全宽度(FWHM)谱带宽被测量为20nm，这可以支持去啁啾(de-chirp)之后的～170fs脉冲。在高泵浦功率处，几个FWM峰值(由于信号波/泵浦波与空闲波/泵浦波之间的相互作用)也被观察到。较短波长侧的FWM峰值更为明显，因为DSF的ZDW处于1548nm处，使得更有利于在1560nm泵浦的较短波长侧的相位匹配。
在～175mW的泵浦功率处，空闲独自的产生的最高输出功率被测量为～60mW(在使用二向色过滤器移除1560nm处的残余泵浦光以及在～1525nm处产生的信号光之后)。这对应于考虑42MHz重复率的～1.45nJ的空闲脉冲能量。最大功率转换效率(其被定义为转换的输出功率与总的泵浦功率之间的比)在175mW泵浦功率处被计算为34％。估计的斜率转换效率为～55％。我们将这个实现的高转换效率归因于简并FWM增益(从泵浦到空闲/信号)和额外的FWM增益(从泵浦和空闲到信号)。在下一部分中将对这进行更多地阐明。
为了调查FOPO针对腔体失调的鲁棒性，我们调整腔长，并且观察输出的谱位移。我们可以将FOPO腔长改变总共多达6mm，并且仍然观察到良好的功率输出。对于整个调谐范围，谐振空闲信号波长从1585nm位移到1615nm。输出谱的包络很好地反映了DSF增益谱的计算的形状。
空闲脉冲在FOPO的输出处是高啁啾的。我们使用标准的单模光纤(SMF-28)来补偿累积的啁啾(或去啁啾)。接近FOPO的输出的脉冲持续时间为～3ps。并且，脉冲可以通过使用～10m的SMF-28而被压缩到接近变换极限持续时间～180fs。给定1.45nJ脉冲能量，峰值功率被估计为约8kW。
第二示例性实施例
参照图7描述第二示例性实施例700。与第一示例性实施例100的配置共同的配置将通过与第一示例性实施例100的附图标记相同的附图标记来表示，并且将省略其描述。
第二示例性实施例700与第一示例性实施例100相同，除了它不包括EDFA之外。第二示例性实施例700还包括单模光纤720。
第一示例性实施例的数值模拟
使用现实实验参数的数值模拟可以被用于模拟FOPO腔体周围的空闲脉冲的形成以及演变。可以基于非线性薛定谔方程来构建模型。交互图中的四阶龙格-库塔(RK4-IP)法可以被用于对该方程进行数值求解。泵浦脉冲被假定具有高斯形状。可以使用用于估计DSF的相位匹配曲线来计算谐振空闲波长。然后可以使用在腔体中使用的所有光纤的色散分布来计算泵浦脉冲与空闲脉冲之间的延迟以满足腔体同步要求。取决于泵浦功率，FOPO腔体中的谐振空闲波在约一百个往返之后达到稳定状态。利用175mW泵浦功率，在模拟的FOPO的输出处获得具有3.7ps的持续时间的空闲波的干净(clean)的高斯时间分布。其波长为～1600nm。申请人已经发现，这些结果与实验结果良好一致。
作为泵浦功率的函数的FOPO的输出功率以及与三个不同输出功率对应的输出谱的演变与以上实验观察到的很好地对应。高转换效率可以经由辅助的拉曼过程来实现。然而，申请人已确定，对于第一示例性实施例100，情况并非如此，因为腔内过滤器未被用于生成以上实验结果和数值结果，并且石英光纤中的拉曼增益的峰值在1670nm周围(当以1560nm泵浦时)，而我们的产生的空闲(1600nm)位于离拉曼增益的峰值相当远。申请人已断定，新的机理涉及第一示例性实施例的设置。密切地查看实验结果和模拟结果，申请人确定空闲和信号中的光子的数量是不相等的。申请人已断定，观察到的高转换效率是由于在泵浦光子与产生的信号光子(其实际向空闲波供给额外的能量)之间发生的额外的FWM过程而导致的。为了确认这个新机理，我们绘制了如图5所示的当泵浦功率被固定在175mW处时、DSF光纤中的泵浦波、信号波、空闲波和产生的FWM波中所包含的脉冲能量的模拟演变。在DSF的第一个1m处，简并FWM由于泵浦脉冲而发生，并且信号波/空闲波逐渐地增长。在DSF的约1.5m之后，空闲的增长速度由于泵浦波与信号波之间的另一个FWM过程的出现而高于信号的增长速度。从DSF的1.5m到3m，信号波增长，并且在约1600nm处将能量同时传送到第一FWM波和信号。在DSF的3m之后，信号波停止增长。从泵浦接收的所有能量被立即传送到信号和第一FWM波。这解释了在DSF的结束处空闲波为何具有比信号波高得多的能量。
为了更好地理解FOPO腔体周围的激光脉冲的演变，图6中示出了腔体周围产生的空闲波和泵浦波的脉冲能量和脉冲持续时间。1560nm和1600nm处的脉冲分布在点A、B和C处被示出。结果表明，产生的空闲脉冲和泵浦脉冲在从点A到点B通过EDF时获取了大量的啁啾，并且在时间上延伸。通过从点A到点B传播通过EDF，空闲脉冲的持续时间(在FWHM处)从2.7ps增大到8.5ps，同时泵浦脉冲从0.4ps延伸到5.5ps。在数值模拟中，由于EDF的增益，仅泵浦脉冲在该阶段中被显著放大。在DSF中，从点B到点C，泵浦能量经由参量相互作用传送到空闲。在DSF的第一半，空闲的中心部分比其它部分增长快，从而导致较窄的脉冲宽度(从8.5ps下降至3.5ps)。而泵浦脉冲持续时间因为泵浦的中心部分下降而增加。在DSF的第二半，当泵浦的中心部分将其能量的大部分传送到空闲时，空闲的持续时间开始略微增加，因为其前沿和后沿比脉冲的中心部分放大得多。泵浦持续时间在该段中略微减小。在DSF的结束处，泵浦的中心部分被完全转换为空闲波，从而如功率分布在点C处所示，在其时间分布中形成孔，同时放大的空闲波的时间分布相当接近于高斯形状。空闲的90％然后在DSF之后被耦合到腔体的输出。在SMF-28中，仅空闲的10％传播。其持续时间由于SMF-28的反常色散而从3.7ps减小至2.7ps。相同的演变在下一个往返中再次重复。
FOPO的输出的波长调谐
通常期望构建可调谐的诸如第一示例性实施例100和第二实施例700中所描述的FOPO。使得FOPO的输出波长可调整。现有技术调谐的方法已包括将过滤器放置在谐振腔中。申请人已发现可以被用于调谐FOPO的各种波长调谐方法。波长调谐可以通过改变FOPO的谐振腔的长度、改变种子脉冲的重复率、或者改变泵浦脉冲的波长来实现。这些方法可以单独使用，或者彼此组合使用。
因为参量增益随着用于参量增益的光纤的长度变长而变窄，所以较长的光纤作为谱过滤器工作。在这种情况下，波长调谐可以通过改变种子脉冲的波长或功率来实现。
FOPO中使用的泵浦脉冲通常非常窄，并且在方程(0)中被描述。
P0＝P0(t) (0)
然而，当谱宽度足够窄时，脉冲可以被看作连续波。因此，在以下讨论中，我们可以将泵浦光看作CW光源。用于信号或空闲的增益在方程(1)-(5)中通过Gi描述。以下描述的波导的示例是DSF 114。
Δω＝|ωs-ωp|,Δω＝|ωi-ωp| (5)
γ：波导114的非线性系数
P0：泵浦功率
L：波导114的长度
n2：波导114的非线性折射率(index)
Aeff：波导114的有效面积
β2、β4：是波导114的二阶和四阶色散参数
λp：泵浦光的中心波长
ωp：泵浦光的角频率
ωs：信号光的角频率
ωi：空闲光的角频率
因为合理的是假定参数g为有理数，因此对于Δβ的限制可以从方程(3)导出为方程(6)。
-4γP0<Δβ<0 (6)
因此，最大增益Gi和边缘(edge)处的增益Gi在方程(7)中列出的以下条件下发生。
Gi,max atΔβ＝-2γP0；g＝γ·P0；Gi,max(L)＝sinh2(γ·P0·L)
Gi,edge1 atΔβ＝0；g＝0；Gi,edge1(L)＝0 (7)
Gi,edge2 atΔβ＝-4γP0；g＝0；Gi,edge2(L)＝0
根据方程(7)和(4)，最大值处以及增益边缘处的泵浦与信号或空闲之间的频率差Δω被如下计算。方程(8)描述了最大增益处的频率差Δωmax。方程(9)描述了增益边缘中的一个处的频率差Δωedge1。方程(10)描述了增益边缘中的一个处的频率差Δωedge2。
Gi,max atΔβ＝-2·γ·P0
Gi,edge1atΔβ＝0
Gi,edge2 atΔβ＝-4·γ·P0
如方程(1)中所描述的，增益谱是波导的长度的函数。随着波导的长度增大，增益谱宽度减小。然而，如果泵浦光的强度保持恒定，则增益谱的峰值波长不改变，因为参数“g”不改变。
同时，半最大值全宽度处的增益谱宽度可以通过以下方程(11)-(12)计算。通过方程(11)计算的边缘波长比如通过方程(6)-(10)所计算的边缘波长更接近中心波长。
图8是波导114中的泵浦光与参量增益谱之间的关系的图示。增益谱区域受方程(6)-(10)限制。使得通过方程(11)-(12)计算的边缘波长比通过方程(6)-(10)计算的波长更远离中心波长。这对于谱指示可能的方块状形状。除此之外，因为泵浦光的波长接近于波导114的零色散波长，所以泵浦脉冲形状被保持。期望随着脉冲的强度沿着波导114变小，能量被从泵浦传送到信号和/或空闲。
一阶色散被考虑以导出信号或空闲脉冲的谱、FOPO的总色散以及泵浦脉冲的重复率之间的关系。对于诸如第二实施例200中的光纤参量振荡器，信号和空闲脉冲的往返时间通过方程(13)估计。
nHNLF(ω)：对于参量增益的高非线性光纤(HNLF)114的频率ω处的折射率。
nODCF(ω)：用于构建振荡器的振荡器色散控制光纤(ODCF)720的频率ω处的折射率。
β1,HNLF(ω)：高非线性光纤(HNLF)的频率ω处的一阶色散。一阶色散等同于群速，即，在波导中传播的脉冲的速率(velocity)。
β1,ODCF(ω)：振荡器色散控制光纤(ODCF)的频率ω处的一阶色散。其中，ODCF是与HNLF组合用于控制整个腔体的色散的一个多个光纤。
c：真空中的光速。
ω0：波导的零色散处的角频率。
ωs/i：信号光/空闲光的角频率。
LHNLF：HNLF的长度。
LODCF：ODCF的长度。
折射率n(ω)与色散β(ω)之间的关系通过方程(14)描述。其中，折射率n(ω)是包括线性项和非线性项两者的总折射率。
因此，方程(13)可以被变换为如方程(15)中所描述的那样用β书写。
对于ODCF，ODCF可以由几种光纤构成。因此，方程(15)的第二项在方程(16)中描述。如方程(16)中所描述的，存在多个类型和长度的多个光纤。
给定泵浦源102生成的、具有重复率frep和时间宽度Δτ的泵浦脉冲。增益脉冲具有与泵浦脉冲宽度Δτ相同的时间宽度。并且，ωs/i周围的光学角频率处的增益脉冲应当以与的泵浦脉冲相同的速度移动，即使β1,HNLF(ωs/i)的一阶色散与β1,HNLF(ωp)不同。因此，如方程(17)中所描述的，HNLF的长度基于脉冲、信号和空闲重叠的时间段来计算。
然而，增益谱区域受方程(6)-(10)限制，并且受如方程(17)中所计算的长度限制。如果非线性光纤更长，则泵浦、信号和空闲不再重叠，并且方程(6)-(10)不再相关。
FOPO中的重复率与往返之间的关系
增益脉冲的时间宽度被假定为Δτ。因此，方程(18)可以被导出以描述放大振荡脉冲。
根据方程(15)、(16)和(18)，方程(19)进一步描述放大振荡脉冲。
从方程(19)，我们可以如方程(20)-(22)中所描述的那样计算信号脉冲或空闲脉冲的中心波长和边缘波长。
ωs/i_c：信号光/空闲光的中心角频率。
ωs/i_fwhm1：FWHM处的信号光/空闲光的角频率。
ωs/i_fwhm2：FWHM处的信号光/空闲光的另一个角频率。
如由方程(20)所描述的，信号和空闲光的中心波长由FOPO的总色散和泵浦脉冲的重复率确定。因此，可以通过改变泵浦脉冲的重复率来控制信号或空闲的波长。
另外，信号和空闲光的谱宽度由泵浦脉冲的时间脉冲宽度或色散确定。因此，谱宽度可以由振荡器色散和/或泵浦脉冲宽度的设计控制。这有效地意味着，泵浦脉冲的时间形状可以作为谱过滤器工作。方程(21)和(22)没有完整地描述使信号脉冲和空闲脉冲的谱宽度成形的所有的力量(force)，在振荡器中还存在其它非线性效应。
第三示例性实施例
第三示例性实施例是以上描述的第二实施例700的特定示例。其中，零色散波长为1050nm，对于参量增益的HNLF 114的三阶色散为6.71776E-41s3/m，并且对于参量增益的HNLF 114的四阶色散为-9.83483E-56s4/m。对于由泵浦激光器102生成的泵浦脉冲，输出波长为1040nm，平均功率为4W，重复率为15MHz，时间脉冲宽度为10ps，并且谱宽度为0.11nm。
图9A-B示出取决于HNLF 114长度LHNLF的增益谱宽度随着泵浦脉冲的波长从1040nm变为1060nm的演变的模拟结果。如图9A所示，当泵浦脉冲的中心波长为1040nm并且LHNLF为0.01m时，信号增益谱为763nm至804nm。如图9B所示，当泵浦脉冲的中心波长为1040nm并且LHNLF为0.01m时，空闲增益谱为1469nm至1632nm。
第四示例性实施例
第四示例性实施例是以上描述的第二实施例700的特定示例。其中，光纤720是具有1300nm的零色散波长、6.61859E-41s3/m的三阶色散以及-4.59295E-56s4/m的四阶色散的单模光纤(SMF)。该光纤具有在从776nm至824nm的范围的正常的负的二阶色散。当1300nm处的β0_ODCF为7,125,000[1/m]且光纤720的长度LODCF为13.52m时，针对763nm至804nm的波长、针对15MHz的重复率，可以将ODL 118从0调整至约4cm。HNLF 114与第三示例性实施例中使用的光纤相同。泵浦脉冲持续时间为10ps，输出谱宽度通过方程(21)和(22)而被计算为约6nm。
第五示例性实施例
第五示例性实施例是以上描述的第二实施例700的另一个特定示例。它类似于第四示例性实施例，除了光纤720是正常色散光纤(NDF)之外。在这个第五示例性实施例中，光纤720在空闲的波长范围中具有正常色散，并且在空闲光的波长区域处被用于振荡器。光纤720是具有1350nm的零色散波长、-2.50339E-40s3/m的三阶色散以及-3.43249E-55s4/m的四阶色散的NDF光纤。当1350nm处的β0_ODCF为6,735,000 1/m且光纤720的长度LODCF为13.8m时，针对1469nm至1632nm的波长、针对15MHz的重复率，可以将ODL 118从0调整至约4cm。泵浦脉冲持续时间为10ps，输出谱宽度通过方程(21)和(22)而被计算为在1469nm处约25nm、在1632nm处约15nm。
第六示例性实施例
参照图10描述第六示例性实施例1000。与前面的实施例的配置共同的配置将通过相同的附图标记表示，将省略其描述。与前面的实施例相比，信号脉冲和空闲脉冲被第四WDM耦合器1024a分割(divide)，并且稍后利用第五WDM耦合器1024b重新组合。信号光被耦合到第四实施例中所描述的SMF 1020光纤中，而空闲光被耦合到第五实施例中所使用的NDF 1022中。SMF 1020的光纤长度为13.52m，并且NDF 1022为13.8m。
第七示例性实施例
第七示例性实施例是以上描述的第二实施例700的另一个特定示例，并且类似于第四示例性实施例，除了以下描述的差别之外。泵浦激光器102是可调谐激光器，其波长可以从1040nm调谐到1060nm。HNLF 114的长度为1m。因此，中心波长从778nm调谐到835nm，并且信号的谱宽度从3.5nm变为5nm。在FOPO中，光纤720是SMF，并且长度为12.7m。ODL 118的长度从4cm调谐到6cm。
第八示例性实施例
第八示例性实施例是以上描述的第二实施例700的特定示例，并且类似于第五示例性实施例，除了以下描述的差别之外。像第七示例性实施例那样，泵浦激光器102是可调谐激光器，其波长可以从1040nm调谐到1060nm。FOPO的中心波长从1451nm调谐到1568nm，并且谱宽度从14.8nm变为13.6nm。在FOPO中，光纤720是NDF，并且长度为12.9m。ODL的长度从11cm调谐到14cm。
第九示例性实施例
第九示例性实施例是以上描述的第六实施例1000的另一个示例，除了以下描述的差别之外。像第七示例性实施例那样，泵浦激光器102是可调谐激光器，其波长可以从1040nm调谐到1060nm。HNLF 114的光纤长度为1m。SMF 1020的光纤长度为13.52m，并且NDF1022为12.98m。ODL 118的长度从0cm调谐到3cm。
以上描述的第二实施例至第九实施例因为耗散孤子锁模而防止基于非线性效应的脉冲中断。因此，能够基于耗散孤子锁模、在没有谱过滤器的情况下实现高功率输出。通过移除谱过滤器，当波长可调谐性保持时，能够仅通过调整振荡器的长度来调谐波长。
第十实施例
第十实施例1100是宽调谐范围、正常色散FOPO，其使用飞秒、固定波长光纤激光器作为泵浦源102。从1360nm至1835nm的调谐范围以及多达1.3nJ的脉冲能量通过在正常色散区中操作FOPO来实现。输出脉冲持续时间在通过在FOPO腔体的外部使用几米的标准单模光纤(SMF-28)去啁啾之后达到～200fs。
参照图11描述第十实施例1100。与前面的实施例的配置共同的配置将通过与第一示例性实施例的附图标记相同的附图标记表示，并且将省略其描述。图11是第十实施例的示意图，该第十实施例是正常色散FOPO源1100。源1100可以被分割为两部分，FOPO谐振腔和种子激光器102。种子激光器102包括振荡器级1126和一个或多个放大器级。
振荡器
振荡器1126是可调谐激光器。振荡器1126可以是包括一个或多个光纤光学组件、熔接光纤组件和光纤耦合微光学组件的光纤光学环形激光器。振荡器1126可以包括第一线性增益介质1130a，其可以是掺饵光纤。第一线性增益介质1130a可以是具有另一掺杂剂的另一增益介质或光纤。第一线性增益介质1130a的第一端部可以耦合到第一WDM耦合器1132a的第一端口。第一WDM耦合器1132a可以与WDM耦合器108b类似或相同。第一WDM耦合器1132a可以包括信号端口和泵浦端口，第一WDM耦合器1132a可以作为复用器/解复用器操作。第一泵浦激光器1134a耦合到第一WDM耦合器1132a的泵浦端口，该泵浦端口将泵浦光传递到第一端口，并且再传递到第一线性增益介质1130a中，该泵浦光诱导第一线性增益介质1130a发射信号光。信号光被从第一线性增益介质1130a耦合到耦合器1132a的第一端口中。耦合器1132a然后将信号传递到信号端口。第一泵浦激光器1134a和第一线性增益介质1130a可以以相反的泵浦配置来进行配置。第一泵浦激光器1134a可以是980nm光纤耦合激光器。耦合器1132a可以是熔接光纤耦合器。可替代地，第一泵浦激光器1134a可以是1480nm激光器，并且第一WDM耦合器1132a可以是基于二向色过滤器的光纤耦合微光学组件。
第一WDM耦合器1132a的信号端口连接到隔离器1136a的输入端口。隔离器1136a将信号光传递到隔离器1136a的输出端口。隔离器1136a阻挡光从该输出端口传递到隔离器1136a的输入端口。这确保振荡器1126的环(ring)在一个方向上操作。隔离器1136a和第一WDM耦合器1132a可以被组合为单个组件。
隔离器1136a的输出端口然后耦合到可饱和吸收体1138的输入。来自可饱和吸收体1138的光然后耦合到光学延迟线1140的输入。来自光学延迟线的光然后耦合到耦合器1142的输入端口。耦合器1142是功率分配器。功率分配器1142将耦合到输入端口中的光分配到第二端口(该光被耦合回到第一线性增益介质1130a中，从而对激光腔提供反馈)和输出端口(该光被传递到泵浦源102的所述一个或多个放大器)中。功率分配器1142可以具有5％/95％分配比。功率分配器1142可以是熔接光纤光学耦合器。功率分配器1142可以是基于微光学的光纤耦合器分配器。功率分配器1142可以针对振荡器的波长范围而被优化。
本文中所描述的振荡器1126中的组件中的一个或多个可以被组合在一起以提高效率或降低成本。振荡器的组件可以用自由空间光学组件替换。振荡器1126的重复率通过改变ODL 1140来进行调整。
线性放大器
通过功率分配器1142的输出端口离开振荡器102的光然后耦合到第二隔离器1136b的输入端口。该光然后被传递到第二WDM耦合器1132b的信号端口。第二泵浦1134b耦合到第二WDM耦合器1132b的泵浦端口。第二WDM耦合器1132b对信号光和泵浦光进行复用，并且经由第二WDM耦合器1132b的输出端口输出经复用的光。WDM耦合器的输出端口耦合到第二线性增益介质1130b的输入。第二隔离器阻挡来自第二线性增益介质1130b的激励进入振荡器1126。第二线性增益介质放大由振荡器1126生成的光。离开第二线性增益介质1130b的经放大的光然后通过带通过滤器1128。带通过滤器1128可以是光纤耦合微光学过滤器，该光纤耦合微光学过滤器仅让振荡器生成的波长范围内的光通过。
已通过带通过滤器1128的光耦合到第三WDM耦合器1132c的信号端口。第三泵浦1134c耦合到第三WDM耦合器1132c的泵浦端口。第三WDM耦合器1132c对信号光和泵浦光进行复用，并且经由第三WDM耦合器1132c的输出端口输出经复用的光。第三WDM耦合器1132c的输出端口耦合到第三线性增益介质1130c的输入。第三线性增益介质1130c的输出耦合到第四WDM耦合器1134d。第四泵浦1134d耦合到第四WDM耦合器1134d的泵浦端口。第四WDM耦合器1132d将来自第三线性增益介质1130c的经放大的光耦合到第四WDM耦合器1132d的信号端口。第四WDM耦合器1132d还将泵浦光耦合到第三线性增益介质。
经放大的光然后通过色散补偿光纤1136，以在种子脉冲离开种子激光器102并且进入参量放大器之前修改该种子脉冲的啁啾。
参量放大器
种子激光器的输出经由第一偏振控制器106a耦合到参量放大器。第一偏振控制器106a耦合到C/L带WDM耦合器108a。来自种子激光器的脉冲串使用C/L带耦合器108a耦合到FOPO腔体中。第一WDM耦合器108a的复用端口耦合到诸如被用作参量增益介质的DSF的HNLF114。HNLF 114的输出耦合到功率分配器116的输入端口。功率分配器116的第一输出端口生成输出信号104。功率分配器116的第二输出端口耦合到色散管理光纤1120的输入。色散管理光纤1120具有用于控制光学参量振荡器的总色散的特定色散和长度。色散管理光纤1120的输出耦合到第二偏振控制器106b，该第二偏振控制器106b耦合到C/L带耦合器108a的L端口，从而使FOPO的谐振环形腔完整。
FOPO的关键特征是，整个谐振环形腔上的平均色散/单位长度在正常色散区中。FOPO的另一个特征是，FOPO的总长度是恒定的，然而，FOPO的峰值输出波长可以通过调整泵浦激光器102来进行调谐。
实验结果
申请人已基于第十实施例生成了实验结果。种子振荡器1126的重复率可通过使用ODL 1140从～18.8MHz调整到～19.0MHz。种子振荡器1126在1560nm处以～1mW的平均功率递送～400fs脉冲。放大器基于Er光纤1130b和1130c，并且具有2个级。来自振荡器的脉冲串在第一级1130b中被放大到～20mW。带通过滤器1128具有以1560nm为中心的1nm的带宽，并且被用于避免过分的非线性谱变宽和ASE噪声。在种子激光器102的输出处，信号被提升到～180mW。FOPO的输入处的泵浦脉冲持续时间被估计为大约5ps，并且脉冲是高啁啾的。HNLF为1.5m长。功率分配器116为90/10％熔接光纤输出耦合器。色散管理光纤1120是7.5m的DCF-38。
图17中示出了FOPO中使用的光纤的1560nm处的色散。由于腔体中使用的色散补偿光纤(DCF-38)1120的相对长的长度，环形腔的平均色散为～-25ps/nm/km。该正常色散将使得耗散孤子能够在FOPO腔体内部形成。通过调整种子振荡器的腔长以匹配FOPO的腔长，在泵浦功率>40mW处观察到参量振荡。
光学谱分析仪被用于记录当种子振荡器的腔长被利用ODL 1140调谐时来自FOPO的输出谱。图12A中示出了对于偏移(offset)中的一些测量的谱。图12B中示出了作为ODL1140的偏移的函数的、信号谱和空闲谱的峰值波长。图12C是FOPO所生成的信号和空闲的功率和带宽的图示。
申请人观察到，1560nm处的泵浦已将其能量传送到泵浦波长的两侧的两个对称边带(信号和空闲)。注意，当产生的波离泵浦不远时，额外的四波混频(FWM)效应发生，该效应产生几个更高阶的FWM峰值。我们获得具有475nm(从1360nm至1835nm)的波长跨度的～400nm总调谐范围(通过超过16mm的腔长调整)。最大输出脉冲能量为～1.3nJ。
第十一示例性实施例
参照图13描述第十一示例性实施例1300。与前面的实施例的配置共同的配置将通过与第一示例性实施例的附图标记相同的附图标记表示，并且将省略其描述。第十一示例性实施例1300包括泵浦激光器102和FOPO。通过调整泵浦激光器102的重复率来控制峰值输出104。种子激光器102的重复率是可控制的。重复率可控制的种子激光器102可以是有源锁模激光器、有源Q开关激光器、通过强度调制从连续波(CW)激光器产生的脉冲激光器、或者通过相位调制从CW激光器产生的脉冲激光器。
泵浦激光器102耦合到WDM 108a的第一输入端口。WDM 108a将泵浦光传递到WDM108a的输出端口。WDM 108a的输出端口耦合到HNLF 114的输入。HNLF提供参量增益。HNLF114的输出耦合到过滤器1338的输入端口。过滤器1338的输出耦合到功率分配器116的输入端口。功率分配器116的第一输出提供输出信号104。功率分配器116的第二输出耦合到WDM108a的第二输入端口，该第二输出与泵浦信号混合，并且被送出WDM 108a以对FOPO提供反馈。
在第十一实施例的特定示例中，种子激光器102的输出波长可以稳定在1550nm。种子激光器102的重复率可以从15.363MHz调谐到15.366MHz。来自种子激光器的输出经由WDM耦合器108a耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)。FOPO谐振腔包括：在1310nm处具有0色散和0.092ps/2km色散斜率的10m SMF；以及在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5m HNLF 114。该FOPO谐振腔中的总色散在反常色散区域中。因此，1580nm和1620nm处的往返频率分别为15.366MHz和15.363MHz。
在HNLF 114中，参量过程发生，并且产生信号光和空闲光。此后，信号光和泵浦光被过滤器1338截断(cut-off)，该过滤器1338在这种情况下可以是长通过滤器。然后，功率分配器116将空闲光的90％发送到输出104，而空闲光的10％返回到FOPO，并且与下一个种子激光器脉冲重叠。
该示例的优点是空闲的波长区域处的无自由空间对准和高速度波长调谐。另外，因为振荡脉冲在孤子区中操作，所以脉冲形状可以为sech2状。图14A是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是长通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制。信号波长是虚线1442的区域。泵浦波长由虚线1444示出。空闲波长在区域1446内。种子激光器102的重复率映射到色散范围1448a，该色散范围1448a与范围1450a所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。
第十二示例性实施例
第十二示例性实施例是以上描述的第十一示例性实施例1300的另一个特定示例。种子激光器102的输出波长可以稳定在1550nm。种子激光器102的重复率可以从15.368MHz调谐到15.369MHz。来自种子激光器的输出经由WDM耦合器108a耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)中。FOPO谐振腔包括：在1310nm处具有0色散和0.092ps/nm2/km色散斜率的10m单模光纤(SMF)；以及在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5m HNLF。该FOPO谐振腔中的总色散在反常色散区域中。因此，1580nm和1620nm处的往返频率分别为15.369MHz和15.368MHz。
在HNLF 114中，参量过程发生，并且产生信号光和空闲光。此后，空闲光和泵浦光被过滤器1338截断，该过滤器1338在这种情况下可以是短通过滤器。然后，功率分配器116将空闲光的90％发送到输出104，而空闲光的10％返回到FOPO，并且与下一个种子激光器脉冲重叠。
图14B是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是长通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制。信号波长是虚线1442的区域。泵浦波长由虚线1444示出。空闲波长在区域1446内。种子激光器102的重复率映射到色散范围1448b，该色散范围1448b与范围1450b所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。
第十三示例性实施例
参照图15描述第十三示例性实施例1400。与前面的实施例的配置共同的配置将通过与第一示例性实施例的附图标记相同的附图标记表示，并且将省略其描述。该配置与图13中示出的第十一示例性实施例相同，除了DCF 1520在HNLF 114与过滤器1338之间之外。
在第十三示例性实施例的特定示例中，种子激光器102的输出波长可以稳定在1550nm。种子激光器102的重复率可以从15.525MHz调谐到15.529MHz。来自种子激光器的输出经由WDM耦合器108a耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)中。FOPO谐振腔包括：在1550nm处具有-40ps/nm/km色散和-0.1ps/nm2/km色散斜率的10m色散补偿光纤(DCF)；在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5m高非线性光纤(HNF)。该FOPO谐振腔中的总色散在正常色散区域中。因此，1580nm和1620nm处的往返频率分别为15.525MHz和15.529MHz。
在HNLF 114中，参量过程发生，并且产生信号光和空闲光。此后，信号光和泵浦光被过滤器1338截断，该过滤器1338在这种情况下可以是长通过滤器。然后，功率分配器116将空闲光的90％发送到输出104，而空闲光的10％返回到FOPO，并且与下一个种子激光器脉冲重叠。
该示例的优点是空闲的波长区域处的无自由空间对准和高速度波长调谐。另外，因为振荡脉冲在耗散孤子区中操作，所以脉冲能量可以高于在孤子区中产生的脉冲。图16A是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是长通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制。信号波长是虚线1442的区域。泵浦波长由虚线1444示出。空闲波长在区域1446内。种子激光102的重复率映射到色散范围1648a，该色散范围1648a与范围1650a所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。
第十四示例性实施例
第十二示例性实施例是以上描述的第十一示例性实施例1300的另一个特定示例。种子激光器102的输出波长可以稳定在1550nm。种子激光器102的重复率可以从15.519MHz调谐到15.521MHz。来自种子激光器的输出经由WDM耦合器108a耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)中。FOPO谐振腔包括：在1310nm处具有-40ps/nm/km色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的10m DCF；以及在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5m HNLF。该FOPO谐振腔中的总色散在正常色散区域中。因此，1520nm和1540nm处的往返频率分别为15.519MHz和15.521MHz。
在HNLF 114中，参量过程发生，并且产生信号光和空闲光。此后，空闲光和泵浦光被过滤器1338截断，该过滤器1338在这种情况下可以是短通过滤器。然后，功率分配器116将空闲光的90％发送到输出104，而空闲光的10％返回到FOPO，并且与下一个种子激光器脉冲重叠。
图16B是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是长通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制。信号波长在区域1442中。泵浦波长由虚线1444示出。空闲波长由虚线1446示出。种子激光器102的重复率映射到色散范围1648b，该色散范围1648b与范围1650b所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。
第十五示例性实施例
第十五示例性实施例是参照图15描述的上述第十一示例性实施例1300的特定示例的变型。种子激光器102的输出波长可以稳定在1550nm。种子激光器102的重复率可以从44.4983MHz调谐到44.499MHz。来自种子激光器的输出经由WDM耦合器108a耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)中。FOPO谐振腔包括：在1550nm处具有-40ps/nm/km色散和-0.1ps/nm2/km色散斜率的0.18m DCF 1420；以及在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5mHNLF。该FOPO谐振腔中的总色散在短于1550nm的波长处处于正常色散区域中，而在大于1550nm的波长区域中处于反常色散中。因此，1520nm和1540nm处的往返频率分别为44.5407MHz和44.5412MHz。另外，1580nm和1620nm处的往返频率分别为44.5414MHz和44.5406MHz。
在HNLF 114中，参量过程发生，并且产生信号光和空闲光。此后，空闲光和泵浦光被过滤器1338截断，该过滤器1338在这种情况下可以是短通过滤器。然后，功率分配器116将空闲光的90％发送到输出104，而空闲光的10％返回到FOPO，并且与下一个种子激光器脉冲重叠。
图16C是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是带截(band cut)过滤器，其中，FOPO1440的总色散被相对波长绘制，其中，色散对于信号是正常的，而对于空闲是反常的。信号波长在区域1442中。泵浦波长由虚线1444示出。空闲波长在区域1446中。种子激光器102的重复率映射到色散范围1648b，该色散范围1648b与波长范围1650c1和1650c2一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。
第十六示例性实施例
第十六示例性实施例是以上描述的第十一示例性实施例1300的另一个特定示例，其中，种子激光器是具有可调整的重复率的可调谐脉冲激光器。种子激光器102的振荡器可以包括15.005m的大模面积光纤(LMAF)和半导体光学放大器(SOA)。LMAF在1550nm的波长处可以具有38.25ps/nm/km色散和0.0733ps/nm2/km色散斜率。SOA由调制电流驱动。种子激光器102可以从1555-1560nm调谐。种子激光器102的重复率可以从15.367MHz调谐到15.362MHz。来自种子激光器的输出经由WDM耦合器108a耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)中。FOPO谐振腔包括：在1310nm处具有0色散和0.092ps/2km色散斜率的10m SMF；以及在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5m HNLF 114。该FOPO谐振腔中的总色散在反常色散区域中。因此，1580nm和1620nm处的往返频率分别为15.366MHz和15.363MHz。通过使种子振荡器和参量振荡器的重复率同步，波长可调谐范围将被扩展。
在HNLF 114中，参量过程发生，并且产生信号光和空闲光。此后，信号光和泵浦光被过滤器1338截断，该过滤器1338在这种情况下可以是长通过滤器。然后，功率分配器116将空闲光的90％发送到输出104，而空闲光的10％返回到FOPO，并且与下一个种子激光器脉冲重叠。
该示例的优点是空闲的波长区域处的无自由空间对准和高速度波长调谐。而且，因为较短波长处的种子脉冲在空闲区域中较长波长处产生增益，所以可以减小种子振荡器的功率的波动。另外，因为振荡脉冲在孤子区中操作，所以脉冲形状可以为sech2状。图14C是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是长通过滤器并且种子激光器是可调谐的，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制。信号波长是虚线1442的区域。泵浦波长由区域1444示出。空闲波长在区域1446内。种子激光器102的重复率映射到色散范围1448c，该色散范围1448c与范围1450c所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。种子激光器102的调谐扩展波长范围1450c。当泵浦激光器的波长被调整时，泵浦激光器波长区域中的色散是重要的，泵浦和空闲(或信号)的重复率之间的关系扩展或抑制FOPO的波长可调谐范围。
第十七示例性实施例
第十七示例性实施例是以上描述的第十一示例性实施例1300的另一个特定示例，它基本上类似于第十六实施例，除了空闲光和泵浦光被过滤器1338截断之外，该过滤器1338在这种情况下可以是短通过滤器，而不是长通过滤器。并且，种子激光器102的重复率可以从15.372MHz调谐到15.367MHz。1520nm和1540nm处的往返频率分别为15.369MHz和15.368MHz。
图14D是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是短通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制，并且种子激光器是可调谐的。信号波长是区域1442。泵浦波长由区域1444示出。空闲波长在区域1446内。种子激光器102的重复率映射到色散范围1448d，该色散范围1448d与范围1450d所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。空闲1450d的可调谐范围通过调谐种子激光器102的重复率和波长而被增大。为了扩展FOPO的调谐范围，调谐种子激光器的波长和重复率两者是重要的。
第十八示例性实施例
第十八示例性实施例基本上类似于第十三示例性实施例，除了它用可调谐种子激光器102(其类似于第十六实施例中所描述的那个)替代稳定种子激光器102之外。种子激光器102的振荡器可以包括14.848m LMAF。种子激光器102的重复率可以根据波长从15.529MHz调谐到15.524MHz。
第十八示例性实施例包括具有与第十三示例性实施例的特定示例相同的光纤的FOPO。图16D是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是长通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制，并且种子激光器102是可调谐的。信号波长是虚线1442的区域。泵浦波长在范围1444中。空闲波长在区域1446内。种子激光器102的重复率映射到色散范围1648d，该色散范围1648d与范围1650d所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。范围1650d通过改变种子激光器102的重复率和波长而被扩展。为了扩展FOPO的调谐范围，调谐种子激光器的波长和重复率两者是重要的。
第十九示例性实施例
第十九示例性实施例基本上类似于第十四示例性实施例，除了它用可调谐种子激光器102(其类似于第十六实施例中所描述的那个)替代稳定种子激光器102之外。种子激光器102的振荡器可以包括14.855m LMAF。种子激光器102的重复率可以根据波长从15.522MHz调谐到15.517MHz。1520nm和1540nm处的往返频率分别为15.519MHz和15.521MHz。
第十九示例性实施例包括具有与第十三示例性实施例的特定示例相同的光纤的FOPO。图16E是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是短通过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制，并且种子激光器102是可调谐的。信号波长是虚线1442的区域。泵浦波长在范围1444中。空闲波长在区域1446内。种子激光器102的重复率映射到色散范围1648e，该色散范围1648e与范围1650e所表示的波长范围一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。范围1650d通过改变种子激光器102的重复率和波长而被扩展。为了扩展FOPO的调谐范围，调谐种子激光器的波长和重复率两者是重要的。
第二十示例性实施例
第二十示例性实施例基本上类似于第十五示例性实施例，除了它用可调谐种子激光器102(其类似于第十六实施例中所描述的那个)替代稳定种子激光器102之外。种子激光器102的振荡器可以包括5.175m的LMAF。种子激光器102的重复率可以根据波长从44.552MHz调谐到44.537MHz。
图16F是调谐范围的图示，其中，过滤器1338是带截过滤器，其中，FOPO 1440的总色散被相对波长绘制，其中，色散对于泵浦是正常的，而对于空闲是反常的。信号波长在区域1442中。泵浦波长在区域1444中。空闲波长在区域1446中。种子激光器102的重复率映射到色散范围1648f，该色散范围1648f与波长范围1650f1和1650f2一致。空闲的波长与重复率之间的映射由色散曲线1440控制。
第二十一示例性实施例
第二十一示例性实施例基本上类似于第十六示例性实施例。除了种子激光器102的振荡器包括在1550nm处具有-40ps/nm/km色散和-0.1ps/nm2/km色散斜率的15.228m的DCF之外。波长从1550nm调谐到1565nm，并且重复率根据波长从15.3634MHz变为15.3657MHz。泵浦的色散在正常色散区中，而空闲的色散在反常色散区中。FOPO的总色散是反常的。FOPO的波长的输出可以通过调整泵浦的波长和泵浦的重复率而被调谐。
第二十二示例性实施例
第二十二示例性实施例基本上类似于第十七示例性实施例，除了种子激光器的振荡器类似于第二十一示例性实施例中使用的振荡器之外，除了使用15.224m的相同的DCF并且重复率根据波长从15.3682MHz变为15.3689MHz之外。泵浦的色散在正常色散区中，而信号的色散在反常色散区中。FOPO的总色散是反常的。FOPO的波长的输出可以通过调整泵浦的波长和泵浦的重复率而被调谐。
第二十三示例性实施例
第二十三示例性实施例基本上类似于第十八示例性实施例，除了种子激光器的振荡器类似于第二十一示例性实施例中使用的振荡器之外，除了使用15.069m的相同的DCF并且重复率根据波长从15.5255MHz变为15.5278MHz之外。泵浦和空闲的色散在正常色散区中。FOPO的总色散是正常的。当泵浦激光器的波长被调谐时，调谐的泵浦激光器波长区域中的色散是重要的，并且泵浦和空闲(或信号)的重复率之间的关系对于扩展或抑制FOPO的波长可调谐范围是重要的。FOPO的波长的输出可以通过调整泵浦的波长和泵浦的重复率而被调谐。
第二十四示例性实施例
第二十四示例性实施例基本上类似于第十九示例性实施例，除了种子激光器的振荡器类似于第二十一示例性实施例中使用的振荡器之外，除了使用15.076m的相同的DCF并且重复率根据波长从15.5814MHz变为15.5206MHz之外。泵浦和信号的色散在正常色散区中。当泵浦激光器的波长被调谐时，泵浦激光器波长区域中的色散对于FOPO的可调谐性是重要的。FOPO的总色散是正常的。FOPO的波长的输出可以通过调整泵浦的波长和泵浦的重复率而被调谐。种子激光器与示例11相同。种子激光器的振荡器由在1550nm处具有-40ps/nm/km色散和-0.1ps/nm2/km色散斜率的15.076m色散补偿光纤(DCF)和SOA构成。波长从1550nm调谐到1565nm，并且重复率根据波长从15.5184MHz变为15.5206MHz。
第二十五示例性实施例
第二十五示例性实施例基本上类似于第二十示例性实施例，除了种子激光器的振荡器类似于第二十一示例性实施例中使用的振荡器之外，除了使用5.253m的相同的DCF并且重复率根据波长从44.5394MHz变为44.5416MHz之外。泵浦和信号的色散是正常的，而空闲的色散是反常的。FOPO的波长的输出可以通过调整泵浦的波长和泵浦的重复率而被调谐。来自种子激光器的输出耦合到光纤光学参量振荡器(FOPO)。因为FOPO由在1550nm处具有-40ps/nm/km色散和-0.1ps/nm2/km色散斜率的0.18m色散补偿光纤(DCF)、在1548nm处具有0色散和0.07ps/nm2/km色散斜率的5m高非线性光纤(HNF)构成，所以该FOPO中的总色散在短于1550nm的波长范围是正常色散，而在长于1550nm的波长范围是反常色散。因此，1520nm和1540nm处的往返频率分别为44.5407MHz和44.5412MHz。另一方面，1580nm和1620nm处的往返频率分别为44.5414MHz和44.5406MHz。

Claims (29)

1.一种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泵浦波长的、具有第一脉冲持续时间的光学泵浦脉冲；
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泵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泵浦脉冲的强度，并且将第一泵浦脉冲持续时间增加到第二泵浦脉冲持续时间；
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离开线性光学增益介质之后来自泵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；
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；
其中，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。
2.根据权利要求1所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔的平均色散在正常色散范围内。
3.根据权利要求1所述的光纤光学参量放大器，其中，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。
4.根据权利要求1所述的光纤光学参量放大器，其中，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。
5.根据权利要求1所述的光纤光学参量放大器，其中，通过改变以下中的至少一个来改变离开所述输出端口的光的峰值波长：所述光学泵浦脉冲的重复率、所述光学泵浦脉冲的中心波长、所述光学泵浦脉冲的峰值功率以及所述泵浦脉冲的重复频率。
6.根据权利要求1所述的光纤光学参量放大器，其中，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。
7.根据权利要求6所述的光纤光学参量放大器，其中，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。
8.一种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泵浦波长的泵浦脉冲光；
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泵浦脉冲光耦合到谐振腔中；
非线性光纤光学增益介质，所述非线性光纤光学增益介质将来自泵浦脉冲光的能量传送到具有不包括所述泵浦波长的第一波长范围的第一脉冲光；
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；
其中，所述谐振腔的平均色散在所述第一波长范围不为0色散。
9.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔的平均色散在所述第一波长范围处于正常色散范围内。
10.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔的平均色散在所述第一波长范围处于反常色散范围内。
11.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述非线性光纤光学增益介质将来自泵浦脉冲光的能量传送到第一脉冲光和第二脉冲光，所述第二脉冲光具有不包括所述泵浦波长并且不为所述第一波长范围的第二波长范围。
12.根据权利要求11所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔的平均色散在所述第二波长范围不为0色散。
13.根据权利要求12所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔的平均色散在所述第一波长范围和第二波长范围处于正常色散范围内。
14.根据权利要求12所述的光纤光学参量放大器，其中，
所述谐振腔的平均色散在所述第一波长范围处于反常色散范围内，并且
所述谐振腔的平均色散在所述第二波长范围处于正常色散范围内。
15.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述第一耦合器包括波分复用器。
16.根据权利要求11所述的光纤光学参量放大器，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第一脉冲光和第二脉冲光；
第二波分复用器，所述第二波分复用器用于组合所述第一脉冲光和第二脉冲光，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第一脉冲光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第二脉冲光耦合到第二波分复用器。
17.根据权利要求11所述的光纤光学参量放大器，其中，所述第一脉冲光为空闲光，并且所述第二脉冲光为信号光。
18.根据权利要求11所述的光纤光学参量放大器，其中，所述第一脉冲光的波长比所述第二脉冲光的波长长。
19.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述第一脉冲光的波长比所述泵浦波长长。
20.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔还包括具有不同于所述非线性光学增益介质的色散的色散的光纤。
21.根据权利要求1或8所述的光纤光学参量放大器，其中，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。
22.根据权利要求1所述的光纤光学参量放大器，还包括用于提供光学泵浦脉冲的种子激光器。
23.根据权利要求22所述的光纤光学参量放大器，其中，所述种子激光器被配置为通过改变以下中的至少一个来改变离开所述输出端口的光的峰值波长：所述光学泵浦脉冲的重复率、所述光学泵浦脉冲的中心波长、所述种子激光器的波长以及所述光学泵浦脉冲的峰值功率。
24.根据权利要求8所述的光纤光学参量放大器，还包括用于提供泵浦脉冲光的种子激光器。
25.根据权利要求24所述的光纤光学参量放大器，其中，所述种子激光器被配置为通过改变以下中的至少一个来改变离开所述输出端口的光的峰值波长：所述泵浦脉冲光的重复率、所述泵浦脉冲光的中心波长、所述种子激光器的波长以及所述泵浦脉冲光的峰值功率。
26.根据权利要求1或8所述的光纤光学参量放大器，其中，所述谐振腔还包括光学延迟线。
27.根据权利要求26所述的光纤光学参量放大器，其中，所述光学延迟线被配置为通过改变所述光学延迟线的长度来改变离开所述输出端口的光的峰值波长。
28.根据权利要求4或16所述的光纤光学参量放大器，其中，所述第一光纤的长度不同于所述第二光纤的长度。
29.根据权利要求4或16所述的光纤光学参量放大器，其中，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。
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