CN112039594B - 一种窄脉冲型扫频光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄脉冲型扫频光源，属于激光光源领域。包括具有大带宽的第一光频梳、大色散单元、第二光频梳、光电探测器和光强度调制器；第一光频梳的输出端与大色散单元的输入端连接，大色散单元的输出端与光强度调制器的第一输入端连接；第二光频梳的输出端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与光强度调制器的第二输入端连接；第二光频梳的重复频率与第一光频梳具有重频差；光电探测器将第二光频梳转换成第二电频梳，第二电频梳与第二光频梳具有相同重复周期，并与第一光频梳的脉冲在时域上以重频差为周期地重合和错开。发明产生宽带宽、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源，其扫频速率灵活可调。

Description

一种窄脉冲型扫频光源

技术领域

本发明属于激光光源领域，更具体地，涉及一种窄脉冲型扫频光源。

背景技术

扫频光源是指光波频率随时间进行变化(主要是线性变化)的激光光源，它本质上是在时域频域之间建立准确映射关系，通过在不同时间发射不同的波长，完成相应的扫频功能。因为它将频域信息映射到了时域上，因此可以结合高速的单点探测器和实时处理系统完成对频域信息的快速测量。得益于这种高速优势，扫频光源在光学断层扫描成像(OCT)、激光雷达成像、显微成像、高速光谱测量、光纤传感等应用领域带来了应用性能的巨大提升。例如在OCT中，基于扫频光源的OCT相对于传统的时域OCT和频域OCT方法，在灵敏度、成像深度和成像速率等参数上展示出极好的性能，成为当前OCT的研究热点(M.A.Choma， et.al，Sensitivity advantage of swept source and Fourier domainoptical coherence tomography，Opt.Express，11(18)，2183-2189(2003))。

得益于巨大的应用需求，扫频光源技术在过去二十年内得到了极大的发展，其主要参数为带宽、扫描速率、步进精度、瞬时线宽、功率等。根据产生的机理可以分为腔内调制和腔外调制两大类。在腔内调制方法中，最直接的方法就是在连续激光器腔内放入一个中心频率随时间变化的可调光学滤波器。这些可调谐的滤波器主要通过可调的法布里腔、电压驱动的光栅以及光栅与旋转镜结合、多边镜扫描等方式来实现。这类扫频激光器机理简单，是最早发展起来的扫频激光。但受限于其中可调滤波器的机械调谐部件，扫频速率通常在kHz量级以下。为了进一步提升扫频速率，一种叫做色散调谐的腔内的扫频光源被发展起来，它通过色散补偿光纤对不同波长的延时不一样(也即色散)来实现无机械辅助的大扫描范围，这种方法可将扫描速率提升到200kHz，并实现大带宽调制(S.Yamashita andM.Asano，Wide and fast wavelength-tunable mode- locked fiber laser based ondispersion tuning，Opt.Express 14(20)，9299- 9306(2006))。但该方案对腔内器件要求较高，且线性范围较差。上述两种腔内方案的扫频光源的扫描速率都受限于机理，难以进一步提升，因为每个波长都需要重新从噪声开始启震，需要一定的时间才能形成稳定的激光。为了解决这个重新启震动问题，傅里叶域锁模激光器被发明出来。在傅里叶域锁模激光器腔内，整个扫频范围内的光频率通过长色散补偿光纤存储在激光腔内。可调谐光带通滤波器被周期性驱动，其驱动周期匹配光纤环内的往返时间。这样光学可调滤波器的同步驱动保证了光在传输一圈后，光滤波器也被调到相同的光谱位置了(R.Huber，et.al， FourierDomain Mode Locking(FDML)：A new laser operating regime and applications foroptical coherence tomography，Opt.Express 14(8)，3225- 3237(2006))。傅里叶域锁模激光器提供了一种新的扫频机制，具有大带宽和高速的特性，但其结构相对复杂，需要环腔和可调谐滤波器的周期保持一致，此外驱动可调谐滤波器需要大带宽的任意波形发生器，这都无疑增加了系统的复杂性和价格。最近得益于微机械加工技术，垂直腔面发射激光源的腔内参数可进行快速调谐，从而实现了大带宽和高扫描速率(I.Grulkowski，et.al，High-precision，high-accuracy ultralong-range swept-source optical coherencetomography using vertical cavity surface emittinglaser light source，Opt.Lett.38(5)，673-675(2013))。但受限于调制机理，其扫描波长的步长精度和扫描线性度都受限于微机械较难加工等问题，此外一般还需后续的算法恢复。综上所述，腔内调谐的扫频光源具有原理简单、发展成熟等优势，但其激光启振和扫频调谐机制都是同一个腔内，扫频光源的参数是相互影响的。

不同于腔内调制的扫频光源的直接调制，腔外调制的扫频光源的带宽等参数由激光器本身来决定，而扫描速率等参数则可独立于激光器腔，通过外部调制来实现调谐，因此腔外调制型的扫频光源参数是可以相互独立的。最直接的腔外调制方法是电光调制法。它将电学矢量网络分析仪的电学扫频输出通过电光调制器和光学滤波器加载到连续光上形成单边带扫频调制。这种方法具有步进精确、瞬时线宽窄等特点，可应用于精细谱测量(Tang Z，Pan S，Yao J.A high resolution optical vector network analyzer basedon a wideband and wavelength-tunable optical single-sideband modulator[J].Optics Express，20(6)，6555(2012).)。但该方法带宽受限于电学矢量网络分析，一般只有0.4nm，扫频速率通常在分钟以上，此外还需昂贵的大带宽电学矢量网络分析仪。另一种方法是时域拉伸方法，它通过超短脉冲在大色散光纤中进行色散拉伸从而形成高速的扫频光源，其扫频速率可达到MHz量级，是目前最快的扫频光源，被应用在高速显微成像如流速细胞仪等(K.Goda，K.K.Tsia，and B.Jalali，“Serial time- encoded amplified imagingfor real-time observation of fast dynamic phenomena，”Nature 458(7242)，1145-1149(2009))。该方法需要高速的实时系统。近期有一种方法提出利用双光频梳通过时域拉伸形成这种扫频光源，然后利用四波混频来实现扫频光源，它将游标卡尺效应转换频域上的频率扫频，实现了频率扫频的光源，这种方法线性度高、步进精度高。但该方法对双光梳要求较高，如要求具有相同带宽等，此外扫描带宽受限于机理只有20nm(Duan Y，Dong X，Zhang L，et al.Ultrafast discrete swept source based on dual chirped combs formicroscopic imaging. Optics Express，27(3)，2621(2019))。

此外，上述所有扫频光源大部分是连续扫频和宽脉冲型离散扫频(ns 以上)，而窄脉冲型(ps量级)的扫频光源相较于连续型扫频光源具有极高的峰值功率，从而在提高灵敏度、降低样品损坏和减小冗余数据等都有着明显优势，从而满足一些应用需求对扫频光源的需求，扩大扫频光源的应用领域。通过对现有技术的分析，目前产生具有宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源还具有挑战性。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源，旨在弥补现有技术在这种扫频光源方面的空白，从而满足此类扫频光源的应用需求。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种窄脉冲型扫频光源，包括具有大带宽的第一光频梳、大色散单元、第二光频梳、光电探测器和光强度调制器；

其中，所述第一光频梳的输出端与所述大色散单元的输入端连接，所述大色散单元的输出端与所述光强度调制器的第一输入端连接；

所述第二光频梳的输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与所述光强度调制器的第二输入端连接；

所述第二光频梳的重复频率与所述第一光频梳具有重频差；所述光电探测器将所述第二光频梳转换成第二电频梳，所述第二电频梳与所述第二光频梳具有相同重复周期，并与所述第一光频梳的脉冲在时域上以重频差为周期地重合和错开。

进一步地，所述第一光频梳和第二光频梳的重复频率通过反馈环进行调节。

进一步地，所述大色散单元包括：

色散补偿光纤和大有效面积光纤；

其中，所述色散补偿光纤和大有效面积光纤具有相反的二阶和三阶色散系数。

进一步地，所述窄脉冲型扫频光源还包括：

光放大器；

所述光放大器的输入端连接所述光强度调制器的输出端。

优选地，所述第二光频梳为窄带宽光频梳。

优选地，所述第二光频梳的脉冲宽度远小于所述光电探测器的响应时间。

优选地，所述光电探测器具有平方律响应。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过光电混合的双频梳来产生宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源，其扫频速率灵活可调。第一光频梳是发展成熟的锁模脉冲技术，其带宽可达100nm量级以上，可为扫频光源提供大带宽；第二电频梳通过光电探测器将第二光频梳转换成电频梳，由于第二光频梳的脉冲宽度通常是远小于光电探测器的响应时间，这样一方面极大地降低了对第二光频梳的带宽要求，使得其简单易得，另一方面也避免需要昂贵的大带宽的任意波形发生器，极大地降低了成本。光强度调制器将第二电频梳调制到色散拉伸的光频梳，从而可实现窄脉冲的扫频光源产生，其脉冲宽度通常在数十ps量级，将在应用中提供高信噪比。

(2)两光频梳的重复频率差可通过反馈环进行调谐，因此可实现快速的扫频，同时利用游标卡尺效应实现自动精确的步长扫频。色散补偿光纤 DCF和大有效面积光纤LEAF进行级联可有效消除三阶色散，从而实现极高的线性扫频。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源模块结构示意图。

图2中的(a)为本发明实施例中的第一光频梳的光谱图。

图2中的(b)为本发明实施例中的第二光频梳的光谱图。

图3为本发明实施例生成扫频光源的时域波形图。

图4为本发明实施例生成扫频光源的光谱随时间变化的图。

图5中的(a)为本发明实施例生成中心波长为1550nm处扫描时的时域脉冲图。

图5中的(b)为本发明实施例生成中心波长为1550nm处扫描时的光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于光电混合的双频梳的扫频光源方案，以产生宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源，包括：具有大带宽的第一光频梳、大色散单元、第二光频梳、大带宽的光电探测器和大带宽的光强度调制器；

其中，所述第一光频梳的输出端与所述大色散单元的输入端连接，所述大色散单元的输出端与所述光强度调制器的第一输入端连接；

所述第二光频梳的输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与所述光强度调制器的第二输入端连接；

所述第二光频梳的重复频率与所述第一光频梳具有重频差；所述光电探测器将所述第二光频梳转换成第二电频梳，所述第二电频梳与所述第二光频梳具有相同重复周期，并与所述第一光频梳的脉冲在时域上以重频差为周期地重合和错开。

进一步地，所述第一光频梳和第二光频梳的重复频率通过反馈环进行调节。

其中，具有大带宽的第一光频梳经过纯净的大色散单元进行色散拉伸，形成线性的扫频源，该大色散单元是由具有相反二阶和三阶色散系数的色散补偿光纤(DCF)和大有效面积光纤(LEAF)组成；

另一第二光频梳是具有重复频率的窄带宽光频梳，它的重复频率与第一光频梳具有一定微小的重频差，从而可以与第一光频梳的脉冲在时域上以重频差为周期的重合和错开；它的重复频率可通过反馈环进行调节。

第二光频梳输入到具有平方律响应的大带宽的光电探测器中，将第二光频梳转换成具有相同重复周期的第二电频梳；第二电频梳因为具有和第二光频梳相同的重复周期，因此其可以与第一光频梳的脉冲在时域上以重频差为周期的重合和错开；它的重复频率可通过反馈环进行调节；

将色散拉伸后的第一光频梳输入到光强度调制器中，该光强度调制器同时被第二电频梳进行调制，从而产生宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源。

此外，可根据后续的应用的功率需求，产生的窄脉冲型扫频光源输入到光放大器中进行功率放大。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

本发明提出了一种宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源，如图1，包括具有大带宽的第一光频，1、色散补偿光纤2、大有效面积光纤3、窄带宽的第二光频梳4、光电探测器5、光强度调制器 6和光放大器7；

第一光频梳1，用于提供扫频光源的大带宽特性，通常可在100nm 以上；

色散补偿光纤2，用于将第一光频梳1进行色散拉伸，从而实现将光谱映射到时域上；

大有效面积光纤3用于消除色散补偿光纤2中的三阶色散，实现线性映射，保证扫频光源的线性扫描；

第二光频梳4具有与第一光频梳1有一定的重频差，用于产生所需的第二电频梳；

光电探测器5，用于将第二光频梳4转换成相应的第二电频梳，其工作带宽决定了扫频光源的单个脉冲的时间宽度和光谱宽度，通常而言，其带宽满足GHz量级以上即可；

光强度调制器6，用于将第二电频梳调制到色散拉伸后的第一光频梳，以产生高质量的扫频光源，通常而言，其带宽满足GHz量级以上即可；

光放大器7，用于将高质量的扫频光源进行功率放大，满足后续应用的功率需求。

下面详细介绍本发明实施例的基本原理：

1)第一光频梳是带有反馈环的光频梳，可通过反馈环调节第一光频梳的重频，设第一光频梳的光场表达式如下

式中ω₀₁是第一光频梳的载波频率，A₁(t)是光频梳的每个脉冲的复振幅包络，此处为了方便推导，假设其是传输高斯型包络，具体表达式如下：

式中T_pw1为传输受限脉冲的脉冲宽度，T₁是光频梳的时域周期，φ₀₁是第一光频梳的初始相位。根据傅里叶变换，由于载波频率都是相同，这里忽略并不影响结论，该光频梳的频谱表达式为

式中常数部分为了简化已省略，其并不会影响后续理论推导。式中Δω为光频梳的带宽，其等于Δω＝4In2/T_pw1，可见光频梳脉宽越窄，光谱的带宽越大，目前光纤光频梳已可实现50fs量级脉冲宽度，其带宽可达百 nm量级。

2)色散补偿单元(DCF)和大有效面积光纤(LEAF)进行纯色散拉伸。大有效面积光纤LEAF的二阶色散和三阶色散与色散补偿光纤DCF 的二阶色散和三阶色散系数相反，但色散补偿光纤的二阶色散大于大有效面积光纤，因此通过合适的搭配两者光纤长度，有望实现二阶色散较大、三阶色散为零的色散模块组合。

其中，β_2DCF、β_2LEAF分别为DCF和LEAF的二阶色散，β_3DcF、β_3LEAF分别为DCF和LEAF的三阶色散，L_DCF和L_2LEAF分别是DCF和LEAF的长度。此时该色散单元的频域表达式为

根据傅里叶变换，可得到其时域冲击函数响应为

第一光频梳经过该大色散组合传输后，输出结果等于两者频域函数的乘积，时域上进行卷积，因此拉伸后的输出光场表达式为

由于第一光频梳的带宽在fs量级，而色散量Φ远大于其脉冲宽度，也即Φ＞＞τ²，故上式积分中的二次项可忽略不计，则上式可表达为

此时经过色散Φ拉伸后的第一光频梳的光场表达式如下所示：

从上式中，可以看到此时经过色散拉伸后的脉冲和载波频率已经改变了，同时为了避免前后拉伸后的脉冲相重叠，此时的脉冲宽度还应该满足

其中，T_pwT是拉伸后的光频梳时域宽度，ω_01T是相应的瞬时频率。从上式可以得到此时经过色散拉伸后的第一光频梳是一个载波频率随时间线性变化的光源，其线性变化系数为C＝1/Φ，脉冲宽度与带宽成正比。

3)另一方面，为了推导简便，第二光频梳也设定为高斯脉冲，重复周期为T₂，ω₀₂是第二光频梳的载波频率，φ₀₂是第二光频梳的初始相位，则其光场表达式为

其光学脉冲宽度为T_pw2，第二光频梳相对于第一光频梳由于重频差，会有一定的时间位移，其表达式为

式中f_rep1、f_rep2分别是第一光频梳和第二光频梳的重复频率，Δf是两个光频梳的重频差。我们可以看到第二光频梳相对于第一光频梳是以而以δT 为步长进行位移，在整个周期中，其移动次数为

4)当第二光频梳输入到光电探测器中，由于光电探测器是典型的平方律，其能探测的光频梳光强为

光电探测器的带宽受限于光电探测带宽，且一般是在微波段，一般用频率f＝ω/2π表示，一般是小于100GHz，例如目前FINISAR推出的探测器BPDV412xR型号已达到100GHz。其响应带宽为f_3dB

则其时间冲击响应函数为

推导过程中已忽略常数项，其并不会影响结论。此时可以看到响应函数为脉冲宽度为T_3dB＝2In2/(πf_3dB)。当第二光频梳的光强I₂(t)输入到光电探测器中，得到的输出电流结果如下：

由于第二光频梳的脉冲宽度T_pw2通常在1ps以下(窄带宽脉冲)，而光电探测器的脉冲响应宽度在数十ps，例如40GHz带宽的光电探测器，其脉冲响应带宽为T_3dB＝11ps，因此可将卷积中的第二光频梳当做冲击响应函数处理，则上式第二光频梳经过光电探测器后输出的结果如下

从该式可以看出，经过光电探测器调制后，第二光频梳转换成了脉冲宽度为T_3dB的电频梳，重复周期为T₂。

5)将生成的电频梳和色散展宽后的第一光频梳同时输入到强度调制器单元，该强度调制器的带宽目前已报道有500GHz带宽，因此假设强度调制器带宽大于光电探测器带宽，半波电压为V_π，直流偏置电压为V_bias。当该强度调制器的偏置电压V_biasV_π，即工作在载波抑制状态。同时输入的电频梳电压较小，对应在小信号调制状态下。同时由于电频梳的脉冲宽度在数十ps，而拉伸后的第一光频梳的脉宽在ns量级，因此只有相同个数时的脉冲相乘才有结果，此时经过调制后的光场为

从上式中，可以看出在一个差频周期Δf内会形成N个超窄脉冲，每个脉冲的幅度等于第一光频梳拉伸后的幅度值，脉冲宽度为T_3dB，每个脉冲的载波频率：

相邻两个脉冲的频率调谐步长为

此时每个脉冲的光谱宽度为

从上式中，此时经过光强度调制器后输出的脉冲序列串是一组线性扫频的窄脉冲序列，其总体带宽由第一光频梳的光谱带宽决定，步进精度由双光梳的重频差和重频决定，时域脉冲宽度(光谱宽度)则主要由所使用的探测器带宽决定。由于大色散单元中三阶色散已消除，因此具有极高的线性调频特性。

6)将该生成的光频梳输入到宽带放大器中进行功率放大，从而满足后续的应用需求，目前已有的C+L波段的掺饵光纤放大器和半导体光放大器等都具有100nm量级的放大带宽。

上述是基于高斯脉冲进行推导的，仅为了简便，实际上该结论对任意超窄脉冲的双光梳都可以进行类似推导获得相应结论。例如以常用的光纤双光梳为例，第一光频梳的带宽可达100nm以上，重复周期f_rep1为 100MHz，双光梳重频差为10kHz，此时光电探测器的带宽为40GHz，为避免脉冲重叠，此时的色散量为0.1ns/nm。根据上述公式推导，此时可生成的扫频光源带宽可高达100nm，扫描步进波长为0.01nm，每个脉冲宽度为10ps，对应光谱宽度为0.1nm，完成一次扫频所需时间为100μs，这在实际应用中这种窄脉冲的高速大带宽扫频光源可应用到生物成像、光学成像雷达等领域。

为了验证本方案可实现一种宽带宽、高扫频速率、高步进精度、高线性度的窄脉冲型扫频光源，本方案实施了一种100nm带宽、扫描速率达到1MHz(1μs)、步进精度为1.2nm、线性度为99.99％的窄脉冲(10 ps，占空比低至0.1％)的高性能扫频光源，验证了本方案可实现超快大带宽的高质量扫频光源的产生。

图2中的(a)给出了第一光频梳的光谱，其为中心波长为1550nm、带宽高达100nm的光频梳，重频频率为100MHz；图2中的(b)给出了第二光频梳的带宽为1.2nm，重复周期为101MHz，我们可以看到该方案中只要求两光频梳的重复频率有一定差频，对第二光频梳的带宽和中心波长都无严格要求，这将促进其实用价值。

图3为产生的扫频光源的时域波形，可以看到产的扫频光源在时域上是离散的窄脉冲源，其幅度包络由第一光频梳的光谱决定，其相邻脉冲间隔为第二光频梳的周期，这与理论推导吻合。

图4为产生的扫频光源的光谱图，可以看到在1000ns内，光谱波长从1500nm线性扫频到了1600nm，其带宽达到了100nm，扫频步长为1.2nm，扫频速率高达1MHz，其线性度高达99.9％。

图5中的(a)给出了中心波长为1550nm处的扫频光源的时域波形，可见其时域宽度为10ps，这是由光电探测器带宽决定的，重频为100 MHz，因此其占空比低至0.1％，因此该脉冲相对连续型具有极高的峰值功率，从而提高灵敏度、降低样品损坏和减小冗余数据。

图5中的(b)给出了中心波长为1550nm处的扫频光源的光谱，可见其带宽约为0.3nm，这是由色散拉伸决定的，可应用用于光谱测量中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种窄脉冲型扫频光源，其特征在于，包括具有大带宽的第一光频梳、大色散单元、第二光频梳、光电探测器和光强度调制器；

其中，所述第一光频梳的输出端与所述大色散单元的输入端连接，所述大色散单元的输出端与所述光强度调制器的第一输入端连接；

所述第二光频梳的输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与所述光强度调制器的第二输入端连接；

所述第二光频梳的重复频率与所述第一光频梳具有重频差；所述光电探测器将所述第二光频梳转换成第二电频梳，所述第二电频梳与所述第二光频梳具有相同重复周期，并与所述第一光频梳的脉冲在时域上以重频差为周期地重合和错开；

所述大色散单元包括：

色散补偿光纤和大有效面积光纤；

其中，所述色散补偿光纤和大有效面积光纤具有相反的二阶和三阶色散系数；

所述色散补偿光纤的二阶色散大于大有效面积光纤；

所述大色散单元的三阶色散为零。

2.如权利要求1所述的窄脉冲型扫频光源，其特征在于，所述第一光频梳和第二光频梳的重复频率通过反馈环进行调节。

3.如权利要求1所述的窄脉冲型扫频光源，其特征在于，还包括：

光放大器；

所述光放大器的输入端连接所述光强度调制器的输出端。

4.如权利要求3所述的窄脉冲型扫频光源，其特征在于，所述第二光频梳为窄带宽光频梳。

5.如权利要求4所述的窄脉冲型扫频光源，其特征在于，所述第二光频梳的脉冲宽度远小于所述光电探测器的响应时间。

6.如权利要求1-5任一项所述的窄脉冲型扫频光源，其特征在于，所述光电探测器具有平方律响应。

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