CN108879300A - 基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光源领域，具体涉及一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法。系统包括脉冲种子源单元用于提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；脉冲功率放大单元用于接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；脉冲光谱展宽单元用于接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行光谱展宽。通过本发明提供的系统及方法，可以解决输出超连续谱中泵浦波长处存在较强的尖峰信号的问题，使得输出光谱不存在明显的尖峰信号，进而获得更高平坦度的超连续谱光源，而且该光源结构简单，成本较低。

Description

基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法

技术领域

本发明涉及光源领域，具体涉及一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法。

背景技术

超连续谱的产生是指窄带激光在非线性介质中传输时，由于各种非线性效应以及介质色散的相互作用，使得输出的激光光谱得到极大展宽的现象。超连续谱光源同时具有普通激光光源的方向性好、空间相干性好、高亮度等特点，因而在生物医学成像、激光光谱学、环境以及大容量高速光通信系统中具有重要的应用价值。目前，在光纤领域，产生超连续谱的方法一般是通过锁模或者调Q方式获得具有高峰值功率的纳秒、皮秒乃至飞秒级别的超短脉冲，使用掺铒/掺镱/掺铥光纤放大器进行放大，然后泵浦高非线性光纤、光子晶体光纤、氟化物光纤等非线性介质，产生超连续谱。

采用不同类型的种子源脉冲泵浦产生超连续谱，各自具有不同的特点，如：采用调Q脉冲产生的超连续谱，由于调Q脉冲脉宽较宽，对应脉冲峰值功率相对较低，产生的非线性效应较弱，获得的超连续谱虽然输出功率高，但谱宽较窄，平坦度也较差；采用类噪声脉冲产生超连续谱，其输出功率高，结构简单，但光谱平坦性较差，存在明显的不对称性；采用孤子脉冲产生的超连续谱，由于脉宽较窄，脉冲峰值功率高，输出的超连续谱谱宽宽，但通常在泵浦波长处存在很强的尖峰信号，实际应用中需要在超连续谱光源装置中额外增加滤波器等组件，成本相对较高。

发明内容

为克服上述谱宽较窄，超连续谱平坦性较差以及成本相对较高的不足，本发明提供一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法，目的在于输出光谱谱宽较宽，平坦度高，不存在明显的尖峰信号。

本发明提出一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，具体地所述系统包括脉冲种子源单元，脉冲功率放大单元和脉冲光谱展宽单元；

脉冲种子源单元，用于提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；

脉冲功率放大单元，用于接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；

脉冲光谱展宽单元，用于接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行光谱展宽。

进一步地，所述双束缚态脉冲个数为稳定可调。

进一步地，所述脉冲种子源单元包括：第一波分复用器、高性能掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、第一耦合器和第一激光泵浦源；

所述第一激光泵浦源的信号输出端与所述第一波分复用器的信号输入端连接，并提供泵浦光；

进一步地，所述脉冲种子源单元采用非线性偏振旋转技术构建锁模脉冲种子源；

所述锁模脉冲种子源为负色散腔被动锁模光纤激光器。

进一步地，所述第一耦合器包括30％输出端和70％输出端；

所述30％输出端用于输出超短脉冲；

所述70％输出端与所述第一波分复用器的信号输入端相连并提供信号输入。

进一步地，所述脉冲功率放大单元包括：偏振无关隔离器、第二波分复用器、泵浦保护器、高掺杂掺铒光纤、第二耦合器和第二激光泵浦源；

所述第二激光泵浦源通过所述泵浦保护器与所述第二波分复用器相连，并提供泵浦光；

进一步地，所述脉冲功率放大单元还包括用于测量光功率的光功率计；

所述第二耦合器包括1％输出端和99％输出端；

所述1％输出端与所述光功率计的输入端相连，通过光功率计推算放大系统的平均输出功率；

所述99％输出端与所述脉冲光谱展宽单元的输入端相连。

进一步地，所述脉冲光谱展宽单元采用高非线性光纤展宽经脉冲功率放大单元放大的双束缚态脉冲光谱。

为达到上述目的，本发明还提供，所述方法包括如下步骤：

S1，提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；

S2，接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；

S3，接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行光谱展宽。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1，提供脉冲个数稳定可调的双束缚态脉冲；

S2，放大稳定可调双束缚态脉冲输出功率；

S3，展宽放大后的稳定可调双束缚态脉冲光谱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明是一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法，通过脉冲种子源单元，脉冲功率放大单元，脉冲光谱展宽单元共同作用，解决输出超连续谱中泵浦波长处存在较强的尖峰信号的问题，使得输出光谱谱宽较宽、平坦度高、不存在明显的尖峰信号，进而获得更高平坦度的超连续谱光源，而且该光源结构简单，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图；

图1为本发明一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统框架示意图；

图2为本发明一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统结构示意图；

图3为本发明一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统流程实现示意图；

图4为本发明种子源产生的双束缚态脉冲的光谱图；

图5为本发明种子源产生的双束缚态脉冲的自相关迹示意图；

图6为本发明经放大系统以及高非线性光纤输出的超连续谱光谱图；

图7为本发明一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

如图1所示，一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，具体包括脉冲种子源单元，脉冲功率放大单元和脉冲光谱展宽单元；

脉冲种子源单元，用于提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；脉冲功率放大单元，用于接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；脉冲光谱展宽单元，用于接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行光谱展宽。

较佳地，所述双束缚态脉冲个数为稳定可调。

也就是说，本发明所设计的双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统包括：脉冲种子源单元，即双束缚态锁模脉冲种子源，其用于提供稳定可调的双束缚态脉冲；脉冲功率放大单元，即脉冲功率放大系统，其用于放大所述的稳定可调双束缚态脉冲的输出功率；脉冲光谱展宽单元，即高非线性光纤，用于展宽经放大系统放大的双束缚态脉冲光谱，得到光谱范围覆盖1.1μm～2.3μm的高平坦度超连续谱。

所述脉冲种子源单元包括：第一波分复用器，高性能掺铒光纤，第一偏振控制器，偏振相关隔离器，第二偏振控制器，第一耦合器和第一激光泵浦源；

所述第一激光泵浦源的信号输出端与所述第一波分复用器的信号输入端连接，并提供泵浦光。

所述脉冲种子源单元采用非线性偏振旋转技术构建锁模脉冲种子源；

所述锁模脉冲种子源为负色散腔被动锁模光纤激光器。所述第一耦合器包括30％输出端和70％输出端；

所述30％输出端用于输出超短脉冲；所述70％输出端与所述第一波分复用器的信号输入端相连并提供信号输入。

具体地，如图2所示，采用非线性偏振旋转技术构建锁模脉冲种子源，包括依次相连的第一波分复用器WDM-1(980nm/1550nm)，长度为5m的高性能掺铒光纤(Corning Er1550C3CT VHA)，第一偏振控制器PC-1，偏振相关隔离器PD-ISO，第二偏振控制器PC-2以及第一耦合器OC-1(耦合比30:70)，第一耦合器OC-1的30％输出端输出所需要的超短脉冲，70％输出端与所述第一波分复用器WDM-1输入信号端相连，以此构成环路。使用一台最大输出功率500mW的980nm半导体激光器Pump-1作为第一激光泵浦源。

在本发明实施例中，所述脉冲功率放大单元包括：偏振无关隔离器，第二波分复用器，泵浦保护器，高掺杂掺铒光纤，第二耦合器和第二激光泵浦源；

所述第二激光泵浦源通过所述泵浦保护器与所述第二波分复用器相连，并提供泵浦光。所述双束缚态脉冲依次通过所述偏振无关隔离器，第二波分复用器，高掺杂掺铒光纤，第二耦合器；

所述第二耦合器包括1％输出端和99％输出端；所述1％输出端与光功率计相连，通过光功率计推算放大系统的平均输出功率；所述99％输出端与所述脉冲光谱展宽单元相连。

具体地，如图2所示，脉冲功率放大单元，即脉冲功率放大系统包括：依次相连的偏振无关隔离器PI-ISO，第二波分复用器WDM-2(980nm/1550nm)，泵浦保护器SMPLP，长度为2m的高掺杂掺铒光纤(NUFERN SM-ESF-7/125)，第二耦合器OC-2(耦合比1:99)，此外，一台最大输出功率660mW的980nm半导体激光器Pump-2作为第二激光泵浦源，与所述第二波分复用器WDM-2的980nm输入端通过泵浦保护器SMPLP相连，所述光纤器件均通过熔接方式连接。其中，第二耦合器OC-2的1％输出端与光功率计OPM相连，用于推算放大系统的平均输出功率，99％输出端输出经放大后的光脉冲，99％输出端与所述脉冲光谱展宽单元，即高非线性光纤HNLF相熔接。

所述锁模脉冲种子源为负色散腔被动锁模光纤激光器，调节激光器泵浦功率，当控制泵浦功率在30～60mW区间时，调节偏振控制器可输出多种状态的束缚态脉冲，束缚态脉冲内部子脉冲数量从2个到10个不等。调节泵浦功率至43.7mW时，仔细调节偏振控制器，获得了5个双脉冲束缚态的束缚态脉冲(即双束缚态脉冲)，脉冲平均输出功率为2.29mW。输出脉冲基频重复频率为13.2MHz，对应激光器腔长15.46m。经过脉冲功率放大系统后的输出功率为167mW。

所述脉冲光谱展宽单元采用高非线性光纤展宽经脉冲功率放大单元放大的双束缚态脉冲。

下面结合流程图和实施例进一步说明本发明：如图2和图3所示，采用最大输出功率为500mW的半导体激光器Pump-1作为锁模脉冲种子源的第一激光泵浦源，中心波长976nm的激光输入WDM-1的980nm信号输入端，并依次经过5m长的高性能掺铒光纤、第一偏振控制器PC-1、偏振相关隔离器PD-ISO、第二偏振控制器PC-2、第一耦合器OC-1(耦合比30:70)，其中30％输出端输出光脉冲，70％输出端进入WDM-1的1550nm信号端，构成环形腔运转，整个激光腔为负色散腔。通过仔细调节第一激光泵浦源输入功率以及第一偏振控制器PC-1和第二偏振控制器PC-2，可获得双束缚态锁模脉冲输出，对应光谱以及自相关迹分别如图4、图5所示。图4中可观察到锁模光谱出现调制，这是由于束缚态脉冲自有的脉冲间干涉作用导致的光谱调制现象，进一步的，由图5的自相关迹可确认是束缚态脉冲的典型自相关迹，注意到该自相关迹与常规的多孤子束缚态自相关迹不同，表现为多个双孤子束缚态之间形成的束缚态脉冲，即双束缚态脉冲，脉冲之间存在较强的相互作用。图2中经种子源输出的双束缚态脉冲，其平均输出功率为2.29mW，脉冲基频重复频率为13.2MHz，与腔长(15.46m)相匹配。图2中种子源输出的脉冲进入功率放大系统，依次经过偏振无关隔离器PI-ISO、第二波分复用器WDM-2、2m长的高掺杂掺铒光纤和第二耦合器OC-2(耦合比1:99)，其中第二耦合器OC-2的1％输出端输出光信号，并与光功率计OPM相连，由此推算出放大系统的输出功率，99％输出端输出放大后的光脉冲，此外，该放大系统使用了一个最大输出功率为660mW的半导体激光第二泵浦源Pump-2，通过一个泵浦保护器SMPLP与第二波分复用器WDM-2的980nm信号端相连。该放大系统采用的是前向泵浦方式，结构简单，易于实现。最终测得的放大系统脉冲输出功率为167mW，并接入到85m的高非线性光纤中泵浦产生超连续谱。如图6所示，产生的超连续谱SCG光谱范围覆盖1.1～2.3μm，10dB带宽为1140nm，几乎覆盖了整个激发超连续谱范围，具有较高的平坦度。此外，尖峰信号成分明显极低，表明输入高非线性光纤HNLF的脉冲信号被充分转化，具有较高的转化效率。

由于种子源产生的双束缚态脉冲宽度为ps量级，且所用的高非线性光纤HNLF在1550nm处具有一个零色散点，因此高非线性光纤HNLF中的超连续谱产生为以下过程：初始阶段，由于零色散点的存在以及种子源输出脉冲工作在反常群速度色散(GVD)区，自相位调制(SPM)主导了超连续谱的初始展宽过程，由于SPM的作用，在传输一定距离后，入射脉冲会分裂并演化为一系列飞秒脉冲，每一个子脉冲进而发生孤子自频移、色散波产生等过程，频域上表现为红移拉曼孤子以及蓝移色散波的产生，在泵浦波长两侧产生新频率成分，与此同时拉曼孤子与群速度匹配的色散波之间发生孤子俘获效应，通过交叉相位调制效应(XPM)以及四波混频效应(FWM)形成附加频率成分，使得超连续谱进一步展宽和平坦化。此外，由于入射脉冲部分光谱处于高非线性光纤正常GVD区，并且靠近零色散点(1550nm)，因此在初始阶段，相位匹配的四波混频效应(FWM)和级联拉曼散射效应(SRS)对光谱展宽也起到重要作用，在传输过程中，自相位调制效应(SPM)和交叉相位调制效应(XPM)共同作用使得各级拉曼光谱进一步展宽，进而合并形成超连续谱。本发明实例中得到的超连续谱输出光谱即由以上过程演化而来。本发明实例中使用的双束缚态脉冲，脉冲之间间隔更近，在脉冲分裂过程中，产生的子脉冲在时域上更加接近或重叠，更容易产生FWM效应，从而使得泵浦光的能量更有效地转移到新频率中，因此产生的超连续谱平坦度高，不存在明显的尖峰信号，超连续谱光源装置中不需要额外增加滤波器等组件，整个装置成本较低。

如图7所示，本发明还提供了一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源方法，具体包括如下步骤：

S1，提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；

S2，接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；

S3，接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行展宽。

本发明一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统及方法,可以获得更高平坦度的超连续谱光源，解决输出超连续谱中泵浦波长处存在较强的尖峰信号的问题，而且该光源结构简单、成本较低，只需一级放大就可获得光谱范围覆盖1.1～2.3μm，10dB带宽覆盖整个激发光谱的高平坦度超连续谱。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所以的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述系统包括脉冲种子源单元，脉冲功率放大单元和脉冲光谱展宽单元；

脉冲种子源单元，用于提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；

脉冲功率放大单元，用于接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；

脉冲光谱展宽单元，用于接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行展宽。

2.根据权利要求1所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述双束缚态脉冲个数为稳定可调。

3.根据权利要求1所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述脉冲种子源单元包括：第一波分复用器、高性能掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、第一耦合器和第一激光泵浦源；

所述第一激光泵浦源的信号输出端与所述第一波分复用器的信号输入端连接，并提供泵浦光。

4.根据权利要求3所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述脉冲种子源单元采用非线性偏振旋转技术构建锁模脉冲种子源；

所述双束缚态锁模脉冲种子源为负色散腔被动锁模光纤激光器。其中所用高性能掺铒光纤长度范围为5～6m,其色散参量为-10～-15ps/nm/km(@1550nm)，总腔长范围为15～20m，腔内总净色散值为0.096～0.178ps/nm，泵浦功率在30mW～60mW。

5.根据权利要求3所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述第一耦合器包括30％输出端和70％输出端；

所述30％输出端用于输出超短脉冲；

所述70％输出端与所述第一波分复用器的信号输入端相连并提供信号输入。

6.根据权利要求1所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述脉冲功率放大单元包括：偏振无关隔离器、第二波分复用器、泵浦保护器、高掺杂掺铒光纤、第二耦合器和第二激光泵浦源；

所述第二激光泵浦源通过所述泵浦保护器与所述第二波分复用器相连，并提供泵浦光；

所述双束缚态脉冲种子源依次通过所述偏振无关隔离器、第二波分复用器、高掺杂掺铒光纤和第二耦合器。

7.根据权利要求6所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述脉冲功率放大单元还包括用于测量光功率的光功率计；

所述第二耦合器包括1％输出端和99％输出端；

所述1％输出端与所述光功率计的输入端相连，通过光功率计推算放大系统的平均输出功率；

所述99％输出端与所述脉冲光谱展宽单元的输入端相连。

8.根据权利要求1所述一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源系统，其特征在于，所述脉冲光谱展宽单元采用高非线性光纤展宽经脉冲功率放大单元放大的双束缚态脉冲光谱。

9.一种基于双束缚态锁模脉冲泵浦的超连续谱光源方法，特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1，提供双束缚态脉冲并发送至脉冲功率放大单元；

S2，接收双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲输出功率放大；

S3，接收放大后的双束缚态脉冲信号，并对双束缚态脉冲信号进行光谱展宽。