CN1950979A - 使用掺稀土元素光纤的光纤激光器及宽带光源 - Google Patents
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Abstract
一种光纤激光器，在谐振腔中包括以下部分：正常色散光纤；反常色散光纤；作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及锁模机制，其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，并且将所述掺稀土元素光纤的长度设置得比所述反常色散光纤的长度短。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用掺稀土元素光纤的光纤激光器及宽带光源。
背景技术
期望将具有宽带光谱以及较低相干性的脉冲光源应用于各种领域，包括光学形貌学以及光纤传感。使用发光二极管(LED)产生脉冲是一种脉冲产生方法。可以通过使用从以掺铒光纤(EDF)等作为光源的光纤放大器产生的自发辐射放大(ASE)获得低相干光。然而，对于LED来说难以获得高强度的光，且带宽谱也被限制于光纤放大器ASE光相关放大介质的光产生带宽。
这里有通过使用掺铒光纤的锁模光纤激光器产生宽谱光脉冲的示例(参见非专利参考文献1)。通过使用非线性极化旋转作为被动锁模机制的展宽脉冲光纤激光器，实现了短相干长度的宽带振荡(44nm)。
通常，在脉冲光纤激光器的振荡现象中存在两种振荡模式：脉冲模式和类噪声(noiselike)模式。脉冲模式振荡为普通的傅立叶变换限制(TL)脉冲，而且已经报道了高能(达几个nJ)及超短脉冲(亚百fs)的振荡(参见非专利参考文献2)。另一方面，类噪声模式由在几十ps的范围内的短脉冲束组成。上述宽带脉冲振荡是类噪声模式振荡的示例。类噪声模式振荡中的谱是宽谱，且其变化是适中的。
尽管在产生孤子脉冲的光纤激光器中的一些光谱中出现纹波，此类现象并不在类噪声模式振荡中出现。这种类噪声模式振荡具有平均为10mW且峰值为15W的高脉冲光强，其优势是与LED光源以及ASE光源相比可以输出较高的强度。
然而，在非专利参考文献1中振荡带宽受限于Er的增益带宽并且需要更宽光谱的脉冲光源。
已经提出了一种用于通过将用于产生超连续谱的超短脉冲激光注入到低色散光纤中来形成超宽带光源的方法。在参考文献中(非专利参考文献3)，获得了横跨1100nm到2200nm的宽带光，但是约15dB的纹波保留在纳米量级的精细频率处，从而不适于上述应用，因此，目的是减小在超宽带光的产生中的纹波。
非专利参考文献1：H.Horowitz et al.，“Noiselike pulse with abroadband spectrum generated from an erbium-doped fiber laser”，Opt.Lett.，Vol 22，pp.799-801，1977
非专利参考文献2：L.B.Nelson et.al.，“Efficient frequency doublingof a femtosecond fiber laser”，Opt.Lett.Vol21，pp.1759-1761，1996
非专利参考文献3：BR.Washburn et al.，“A phase locked frequencycomb from anall-fibre supercontinuum source，”Proc.of EuropeanConference on Optical Communication 2003(ECOC2003)，Post-deadlinepaper Th 4.1.2.，Rimini，Italy，Sept.21-25，2003.
发明内容
本发明要解决的问题
因此，做出本发明以满足展宽光源光谱的要求，并且本发明的目的是提出一种具有更宽光谱输出特性的光源。
解决问题的手段
在本发明中，设计了适于产生类噪声宽带脉冲的谐振腔的色散图，并且做出了在1.5μm波段中具有最大带宽的类噪声激光器以实现上述目的。在下文中具体地描述了此类光纤激光器和宽谱光源的结构。
本发明的第一实施例是光纤激光器，在谐振腔中包括以下部分：正常色散光纤、反常色散光纤、作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及锁模机制，其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，并且将所述掺稀土元素光纤的长度设置得比所述反常色散光纤的长度短。
本发明的第二实施例是光纤激光器，在谐振腔中包括以下部分：正常色散光纤、反常色散光纤、作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及锁模机制，其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，在所述掺稀土元素光纤的输出光谱的中心波长处每单位长度正常色散的绝对值比所述反常色散光纤的每单位长度反常色散的绝对值大。
本发明的第三实施例是光纤激光器，在谐振腔中包括以下部分：正常色散光纤、反常色散光纤、作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及锁模机制，其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，非线性系数(γ2L2)/(γ1L1)大于1，其中在所述掺稀土元素光纤中，非线性系数是γ1[1/W/m]，长度是L1[m]，包括反常色散光纤在内的谐振腔的其他部件的有效非线性系数是γ2[1/W/m]，长度是L2[m]。
本发明的第四实施例是光纤激光器，其中，在所述谐振腔中输出光谱的中心波长的总色散是在-1ps2至+0.2ps2范围之内的值。
本发明的第五实施例是光纤激光器，其中，在所述掺稀土元素光纤的纤芯部分至少添加了铒(Er)离子。
本发明的第六实施例是光纤激光器，其中，将所述掺铒光纤在1.53μm波段的吸收系数峰值设置在10dB/m至35dB/m的范围之内。
本发明的第七实施例是光纤激光器，其中，所述谐振腔中的所述掺稀土元素光纤在1.55μm波段的色散值不小于21ps2/Km。
本发明的第八实施例是光纤激光器，其中，吸收峰值与色散值的比α/D[dB/ps2]不小于500，其中所述掺稀土元素光纤在1.55μm波段中的色散值是D[ps2/m]，以及在1.53μm波段中的吸收峰值是α[dB/m]。
本发明的第九实施例是光纤激光器，其中，所述谐振腔包括：用于将泵浦光注入到所述谐振腔中的泵浦光源以及用于复用来自所述泵浦光源的泵浦光的光复用器，并且所述谐振腔还包括：掺稀土元素光纤、单模光纤、偏振分束器、光隔离器、以及偏振片。
根据涉及本发明的宽带光源的第一实施例，至少将高非线性光纤与所述光纤激光器的输出侧相连以产生超连续谱(SC)光。
根据涉及本发明的宽带光脉冲发生装置的第一实施例，所述宽带光脉冲发生装置包括：产生类噪声脉冲的脉冲光源，在所述类噪声脉冲中，强度波形的包络曲线处于时间脉冲态；以及对所述类噪声脉冲激励非线性效应的非线性介质，其中所述类噪声脉冲在所述非线性介质中产生超连续谱光以产生宽带脉冲光。
根据宽带光脉冲发生装置的第二实施例，所述脉冲光源具有在谐振腔中包括以下部分的激光器谐振结构：正常色散介质、反常色散介质、增益介质、以及锁模机制。
根据涉及本发明的宽带光脉冲发生装置的第三实施例，所述正常色散介质由具有正常色散的光纤构成，所述反常色散介质由具有反常色散的光纤构成，以及所述增益介质由掺稀土元素光纤构成。
根据涉及本发明的宽带光脉冲发生装置的第四实施例，所述脉冲光源包括产生噪声光的噪声光源，在所述噪声光中，强度包络曲线是时间常数；以及调制所述噪声光的调制器。
根据涉及本发明的宽带光脉冲发生装置的第五实施例，所述非线性介质由DSF(色散位移光纤)、色散平坦光纤、以及光子晶体光纤或HNL(高非线性光纤)构成。
根据涉及本发明的类噪声脉冲发生装置的第一实施例，类噪声发生装置产生类噪声脉冲，在所述类噪声脉冲中，强度波形的包络曲线处于持续时间受限突发噪声光的时间脉冲态，其中所述类噪声脉冲发生装置包括：产生噪声光的噪声光源，在所述噪声光中，强度包络曲线是时间常数；以及调制所述噪声光的调制器，所述调制器调制所述噪声光以产生所述类噪声脉冲。
发明效果
可以提供一种具有比掺铒光纤增益谱更加平坦且更宽的光谱的光纤激光器。此外，可以提供一种使用该光纤激光器的宽带光源。
附图说明
图1是示出了涉及第一实施例的光纤激光器的方框图。
图2是示出了涉及第一实施例的光纤激光器的输出光谱的曲线图。
图3是示出了涉及第一实施例的光纤激光器的输出光的偏心自相关器的自相关波形曲线图。
图4是示出了涉及第二实施例的光纤激光器的方框图。
图5(1)示出了涉及第二实施例的光纤激光器的输出谱的曲线图。
图5(2)是示出了第四实施例的光纤激光器的输出谱的曲线图。
图6是示出了涉及第三实施例的光纤激光器的方框图。
图7是示出了涉及第三实施例的光纤激光器的输出光的偏心自相关器的自相关波形曲线图。
图8是示出了涉及第四实施例的光纤激光器的方框图。
图9是示出了涉及第五实施例的光纤激光器的方框图。
图10是示出了激光器光纤的工作条件的曲线图。
图11是示出了光纤激光器的脉冲宽度以及光谱宽度改变的曲线图。
图12是示出了涉及第一实施例的光纤激光器的输出光的时间波形的曲线图。
图13是示出了涉及本发明的激光器的关键部分的典型图解。
图14是示出了用作光偏振器的偏振分束器的示例的图解。
图15是示出了在色散零点附近与SMF的准直透镜相连的色散位移光纤的示例的图解。
图16是示出了在类噪声模式振荡期间的光谱的图解，图16(a)示出了500mW泵浦功率处的光谱以及图16(b)示出了1000mW泵浦功率处的光谱。
图17是示出了直线形谐振腔的结构示例的图解。
图18是示出了使用掺镱光纤作为掺稀土元素光纤的示例的图解(结构1)。
图19是示出了使用掺镱光纤作为掺稀土元素光纤的示例的图解(结构2)。
图20是示出了使用类噪声脉冲产生超连续谱的仿真的图解。
图21是示出了使用超短脉冲产生超连续谱的仿真的图解。
图22是示出了不使用光纤激光器的、类噪声脉冲产生的原理图。
图23是示出了不使用光纤激光器的、类噪声脉冲产生的实验示例的图解。
图24是示出了当把输入功率变成高非线性光纤时的输出光谱的图解。
图25是示出了其他类噪声脉冲的示例的图解。
参考数字解释
11 掺铒光纤(EDF)
21、22、23 色散位移光纤(DSF)
31、32、33 单模光纤(SMF)
41 康宁Flexcore 1060
51 高非线性光纤(HNL)
61、65 四分之一偏振片
62 二分之一偏振片
63 偏振分束器(PBS)
64 隔离器(ISO)
66 光复用器(WDM耦合器)
71 泵浦光源
81 输出端口
具体实施方式
在下文中将参考附图解释涉及本发明的光纤激光器以及使用光纤激光器的宽带光源的优选实施例。
将相同的参考数字用于在附图描述中的相同部分或相似部分。
在本发明中，将在谐振腔中的输出光谱的中心波长的总色散值调整为在-1ps2至+0.2ps2范围之内的值。原因将在下面描述。
首先，在反常色散一侧累积的色散量的上限是通过展宽脉冲激光器理论(色散管理孤子)的辅助下获得的。当由下面的公式所表达的色散图的强度超过10时，难以获得脉冲解(pulse solution)。
S＝(β21L1-β22L2)/T2 FWHM
其中，β21是正常色散光纤的色散，L1是正常色散光纤的长度，以及β22是反常色散光纤的色散，L2是反常色散光纤的长度，TFWHM是脉冲的半高全宽。
如果估计脉冲宽度为较短的200fs且S＝10时，在反常色散一侧的总色散量将大约是-0.2ps2。因为脉冲模式情况处于色散管理孤子理论的应用范围，安全脉冲解是其存在的先决条件。然而，在类噪声脉冲情况下，不必要具有严格的脉冲解，在反常色散一侧的总色散量的容限约是5至10倍，约-2ps2。因此，基于50％而得到上限为-1ps2。
当总色散量变为正常色散时，由于非线性光学效应通过频移加强了脉冲持续时间的展宽。因而，在正常色散一侧具有很少的容限，在执行色散管理时，如果正常色散超过反常色散一侧的色散量的20％，将难于获得类噪声模式解。因此关于在可行的类噪声模式中的光纤激光器，将在谐振腔中的输出光谱的中心波长处的总色散调整到-1ps2至+0.2ps2的范围之内。
此外在本发明中，非线性率(γ2L2)/(γ1L1)大于1，其中在掺稀土元素光纤的1.55μm波长处，非线性系数是γ1[1/W/m]，长度是L1[m]，在包括反常色散光纤在内的其他谐振腔部件的1.55μm波长处，有效非线性系数是γ2[1/W/m]，长度是L2[m]。
在图10中，将光纤激光器的工作条件示出为脉冲能量E[pJ]和非线性率γ’之间的关系。不稳定的模式在虚线上面的区域，且脉冲振荡是不可获得的。为在其中脉冲振荡是可获得的虚线下面的区域中获得宽带光脉冲(单脉冲模式)，非线性率(γ2L2)/(γ1L1)应该大于1。这是因为在光纤激光器中将非线性率(在图10的水平轴上的γ’)设置在不超过1的范围，且当比率超过1时光谱展宽效果变得显著起来。在图10中，白色的圈示出了传统光纤激光器的工作条件。
为产生极大地超出EDF增益带宽的光脉冲，有效非线性率r’＝(γ2L2)/(γ1L1)应该大于1。γ1[1/W/m]和L1[m]表示在正常色散光纤(EDF)的1.55μm波长处的非线性系数和长度，γ2[1/W/m]和L2[m]表示在谐振腔的正常色散光纤和其他部件的1.55μm处的有效非线性系数和长度。
在图11中示出了数值仿真的示例。水平轴代表谐振腔在纵向的归一化距离，0至0.25之间的区域和0.75至1之间的部分表示反常色散光纤的区域，以及0.25至0.75之间的部分表示正常色散光纤(EDF)的区域。由于环形谐振腔结构的原因，周期性地重复这种改变且0和1.0表示相同的点。图11(a)示出了脉冲宽度的改变，而图11(b)示出了光谱宽度的改变。当非线性率γ’远超过1时，在反常色散光纤的中点附近出现了光谱展宽，而在正常色散光纤中仍然保持较窄的光谱。
因此，在放大期间光谱变窄并且获得了超出增益介质带宽限制的光脉冲。在下面提到的实施例1中非线性率约是4。在实施例1中，因为在正常色散光纤EDF和其他反常色散光纤之间的非线性系数不是那么的不同，所以反常色散光纤的长度应该是比正常色散光纤的长度充分地长，以获得宽带光谱。
图13示出了示出涉及本发明的激光器的关键部分的典型图解。将参考图13解释涉及本发明的激光器的关键部分。用于提取光输出的光耦合器的位置在图13中是任意的。尽管在下面描述的实施例中的偏振控制器中使用了波片，可以使用光纤环或其他优选的代替物来代替波片。光偏振器可以是任意结构，并且如果将偏振分束器用于光偏振器，可以将光偏振器与用于获得如图14所示的光输出的光耦合器相集成。
(第一实施例)
首先，将解释涉及本发明的第一实施例。图1是示出了第一实施例的光纤激光器的方框图。在如图1所示结构的光纤激光器中，顺序排列在脉冲传播方向上的是色散位移光纤(DSF)21、单模光纤(SMF)31、掺铒光纤(EDF)11、康宁Flexcore 1060(商标)光纤41、光复用(WDM)耦合器66、单模光纤(SMF)32、色散位移光纤(DSF)22、1/4γ偏振光片61、1/2γ偏振光片62、偏振分束器(PBS)63、隔离器(ISO)64、以及1/4γ偏振光片65，并且以通过这些元件且再返回到色散位移光纤(DSF)21的环形形成谐振腔。
来自泵浦光源71的泵浦光通过WDM耦合器66与康宁Flexcore1060光纤41相结合，并且通过反向泵浦结构来泵浦掺铒光纤(EDF)11。在第一实施例中将1480nm波段的泵浦光源用作泵浦光源71。通过输出端口81提取输出光，且将输出光输入到光谱分析仪或自相关器中来观察波形。本发明的发明人根据第一实施例的谐振腔中的每个光纤的色散和掺铒光纤(EDF)吸收值，设计了适于实现类噪声振荡的色散图以及宽带光脉冲。
具体地，使用具有较高的正常色散的掺铒光纤(EDF)(其中具有1.55μm波长的掺铒光纤(EDF)11的色散值是38.4ps2/km)，在第一实施例的谐振腔中，1.55μm波长处的总色散设计为-0.029ps2。这里，在第一实施例的谐振腔中的光纤的各自的长度是：DSF 21：1.8m；SMF31：2.4m；EDF 11：2.5m；康宁Flexcore 1060光纤41：3.0m；SMF 32：2.5m；DSF 22：1.8米；以及光纤总长度是14.0m。
如上所述，在第一实施例的谐振腔中，使用了具有较高正常色散的EDF，从而使具有正常色散的EDF 11的长度比反常色散光纤的长度短得多。因而在反常色散光纤中增加了非线性效果的影响以促进光谱展宽。因此，具有本实施例中上述结构的光纤激光器更易于产生类噪声模式并且可以产生更宽的频带。
为了验证，观察了在第一实施例的光纤激光器中的输出光谱。如图2中所示，在以1.55μm为中心的波长周围获得了3dB带宽为87nm的平坦宽谱。上述输出光谱极大地超过了掺铒光纤的增益带宽。根据本发明，可以发现其成功地实现了比使用传统掺铒光纤的光纤激光器(带宽44nm，参考非专利参考文献1)更宽的带宽。这里，输出光强是72mW，泵浦光源71的泵浦功率(1.48μm波长)是0.5W。
当泵浦光功率不低于420mW时，旋转偏振片61、62、65以容易地实现锁模操作。基本重复频率是14.3MHz。图3是偏心自相关器得到的输出光的自相关波形。在中心附近，看到了具有约100飞秒宽度的分量，所述分量表明具有至少几百飞秒的脉冲宽度的脉冲分量的存在。而且，位于下方的宽度约10皮秒的基底(pedestal)表示出类噪声脉冲的包络曲线，所述类噪声脉冲的包络曲线通常被发现为总体上构成脉冲光。如由图3清楚地所示，存在具有至少几百飞秒脉冲宽度的脉冲分量。
图12是示出了在第一实施例的光纤激光器中的输出光的时间波形的曲线图。这意味着图12示出了用具有100MHz频带的光检测器所观察到的光强随时间的变化。图12示出了以70纳秒的间隔产生脉冲且脉冲处于锁模工作条件下。
在用反常色散光纤对谐振腔中的累积正常色散进行补偿的情况下，如第一实施例所示，要求正常色散光纤的长度小于反常色散光纤的长度。为此目的，正常色散光纤EDF的色散绝对值应该大于反常色散光纤的反常色散。
在上述第一实施例中，将标准SMF(波长1.55μm处的色散值是-21ps2/km)用作反常色散光纤。在这种情况下，要求正常色散光纤EDF的色散值大于反常色散光纤SMF的色散绝对值21ps2/km，以便使正常色散光纤的长度短于反常色散光纤的长度。因此，在本发明的第一实施例中，根据宽带类噪声模式振荡的观点，具有1.55μm的EDF的色散值优选地要不小于21ps2/km。
在谐振腔的每个色散区中优选的色散绝对值可以遵守公式0.5×(光谱展宽系数)÷(光谱宽度)2。这里，光谱展宽系数是在反常色散区中的光谱最大值与在正常色散区中的光谱最小值的比。对于具有如在本实施例中的约60nm的有效光谱宽度的类噪声脉冲，优选的色散值在从0.05ps2至0.10ps2的范围内。在本实施例中，在EDF 11的1.55μm波长处的色散值是38.4ps2/km，使用的长度是2.5m，以及在正常色散区的总色散是0.096ps2。
在谐振腔的实际设计中，确定长度以满足基于每个色散区光纤的色散值的优先色散值。对于如在本实施例中的类噪声模式振荡，使正常色散光纤EDF的色散值尽可能大以使正常色散光纤的长度相比于反常色散光纤更短是有效的。然而，缩短EDF减小了在EDF中获得的输出，从而要求根据缩短来增加吸收系数(每单位的吸收值)以保持吸收长度乘积(吸收系数和长度的乘积)不变。
在第一实施例中，所使用的EDF的长度和在1.53μm波长处的吸收峰值分别是2.5m和23.7dB/m，因此吸收长度乘积是59.25dB。在本实施例中的吸收长度乘积应该是大于50dB的值，根据充分的激光输出的观点优选地大于55dB。从上述描述中来看清楚的是，在EDF中的色散值和吸收系数之间存在着优选的平衡。应该以这样的方式设置所述值，从而使在EDF中1.55μm波长处的色散值是D[ps2/m]，以及在1.53μm波段处的吸收峰值是α[dB/m]。当在正常色散区的总色散是0.10ps2且吸收长度乘积不小于50dB时，所要求的EDF长度被确定为L＝0.10/D，并且作为优选条件，吸收值和色散值之比α/D大于500[dB/ps2]。
因此，对于宽带和类噪声模式振荡来说，在将吸收值和色散值比α/D保持在优选比率的同时增加α和D是有效的。然而，过度掺杂以增加α的铒离子由于离子间相互作用而引起转换效率(浓缩猝灭)的降低，从而不能获得有效的输出。因此，为保持有效的转换效率，存在避免铒浓度(吸收系数)超过特定值的最高值。本发明的发明人准备了具有不同吸收系数的EDF，并且确定和比较了在1.48μm双向泵浦结构中从泵浦光到信号光的功率转换效率。当吸收值超过35dB/m时，观察到了功率转换效率的显著下降。
为此，期望吸收峰值不大于35dB/m以保持较好的转换效率。另外为避免由于浓缩猝灭(concentration quenching)的转换效率下降，可以以高浓度共同掺杂铝(Al)。在本实施例的EDF 11中，将铒以不低于4.8wt％的浓度与铝一起进行共同掺杂。根据避免浓缩猝灭的观点，要求铝以不小于3wt％的浓度进行共同掺杂，优选地不低于4wt％。
此外，为如上所述使正常色散光纤的长度短于反常色散光纤的长度，要求正常色散光纤EDF的色散值大于反常色散光纤SMF的色散绝对值21ps2/Km。因此，由于在正常色散区中0.10ps2的总色散以及不低于50dB的吸收长度乘积，所要求的吸收峰值变得不小于10.5dB/m。因此，在本实施例中，发现吸收峰值至少不低于10dB/m是必要的。
(第二实施例)
将解释涉及本发明的第二实施例。图4是示出了第二实施例的光纤激光器的方框图。该光纤激光器的谐振腔的结构和每个光纤的长度与上述第一实施例的谐振腔的结构和每个光纤的长度相同，并且通过使通过输出端口81提取的类噪声脉冲进入高非线性光纤(HNL)51，来实现超连续谱产生实验。HNL光纤51在1.55μm波长处的色散值是-0.60ps2/Km，零色散波长是1.532um、在1.55μm波长处的非线性系数是20/W/km，以及光纤长度是1km。
数值仿真表明：类噪声光谱涉及平坦光谱的超连续谱。不但类噪声脉冲而且噪声光的强度波形具有与光谱宽度的倒数一样小的微小结构，并且可以将其看作是短脉冲的伪集合。因而如果可以获得足够的强度，超连续谱和超短脉冲的产生变成可能。这里，处于持续时间受限的突发状态的噪声光被看作是类噪声脉冲模型，并且对在光纤中传播的波形和光谱的变化进行检查。
图20示出了计算示例。在图20中，入射光是20nm光谱宽度的类噪声脉冲，并且强度包络曲线的持续时间是33ps。该类噪声脉冲光被看作是约100到300fs的短脉冲集合。每个脉冲的能量是1.5nJ，其中峰值功率变为约200W。将在波长1550nm处具有-0.74ps2/km色散值的高非线性光纤配置为用于产生超连续谱的光纤。为了计算，考虑了高达5阶的高阶色散和包括非线性延迟响应·自陡峭效应等的高阶项。图21示出了由具有相同水平的峰值功率以及光谱宽度的超短脉冲所产生的超连续谱的情况用于比较。这与以普通脉冲模式振荡的光纤激光器所产生的超连续谱相对应。脉冲宽度是300fs并且峰值功率是200W。
首先，将描述使用类噪声脉冲(图20)的情况。由于在高非线性光纤中约1m的传播，光谱被自相位调制·自拉曼放大所展宽，从而形成类噪声脉冲的微小波峰受到脉冲压缩的影响。虽然随着进一步传播，非线性光学效应和色散显著地改变了波形，与被破坏的波形无关，仍然保持了噪声光特性，并作为超短脉冲的组合。为此，虽然相对较长距离的传播(几十米至几百米)，光谱保持展宽。并且尽管光谱变为噪声状态，光谱被充分均匀地分布并且通过对多个噪声态脉冲取平均获得了平坦的光谱。
将描述使用普通超短脉冲的情况(图12)。由于在高非线性光纤中约1m的传播，光谱被与上述情况一样地自相位调制·自拉曼放大所展宽，并且受到脉冲压缩的影响。然而，由于约4m的普通超短脉冲光的传播，脉冲时间波形被破坏，峰值功率减小，以及光谱展宽停止。并且光谱纹波不超过15dB。这不是在该计算示例中特别发现的现象，而是在使用超短脉冲的超连续谱产生中的一般现象。因而，在光谱色散效率(较长的非线性相互作用长度)和光谱平坦度方面，使用类噪声脉冲的超连续谱产生优于使用超短脉冲的超连续谱产生，并且其具有作为超宽带光源的绝对优势。
在图1和图4中示出的示例中，准直器之前的光纤类型是指定的，但是光纤类型并不这样敏感。例如，图15中示出的准直透镜是SMF，并且当将其与近零色散值的色散位移光纤相连时，以类噪声模式发生振荡。正常色散光纤的总色散量是0.118ps2，反常色散光纤的总色散量是-0.140ps2，以及总色散量是-0.022ps2。
图16示出了振荡光谱。当泵浦光功率是500W时半高全宽是81nm，而泵浦光功率是1W时半高全宽是74nm。当向该谐振腔增加20m的SMF时，谐振腔也可以按照类噪声模式振荡。在该增加的条件下，总色散量约是-0.32ps2，光谱形式类似，以及半高全宽变得稍微窄些(约70nm)。在总色散的绝对值较大的情况下，以脉冲模式振荡非常难，并且即使其振荡，光谱宽度将变得非常窄(参考IEEE Journal ofQuantum Electronics，30(6)，1469，1994)。然而，因为色散容限较高，类噪声模式振荡是可能的。这是本发明的主要优势。
图5(1)示出了第二实施例中的光纤激光器的输出光谱。在第二实施例的光纤激光器中，获得了具有950nm波段的SC光。假想因为没有留下残余光谱分量且光谱均匀地展宽，使短脉冲分量发生集束。并且在光谱中不存在微小纹波，这是源自类噪声脉冲的SC光产生的特征。
(第三实施例)
将解释涉及本发明的第三实施例。图6是示出了第三实施例的光纤激光器的方框图。光纤激光器的谐振腔的结构和每个光纤的长度与第一实施例中的谐振腔相同。将通过第一实施例的输出端口81提取的类噪声脉冲输入到SMF 33，并检查其色散容限。
这里，SMF 33的长度是1.6km以及色散量是-34ps2。图7示出了经1.6km SMF 33传播之后的自相关波形。在亚皮秒傅立叶变换限制(TL)脉冲经1.6km SMF传播之后，不认为短脉冲分量继续存在。然而，图7示出了短脉冲仍然存在。清楚的是，即使改变了对SMF的输入功率，孤子分量也不会基于获得相同自相关波形的事实而传播。
(第四实施例)
将解释涉及本发明的第四实施例。图8是示出了第四实施例的光纤激光器的方框图。光纤激光器的谐振腔的结构和每个光纤的长度与第一实施例中的谐振腔相同。首先将通过第一实施例的输出端口81提取的类噪声脉冲输入到SMF 33，并且然后将其输入到高非线性光纤51，并且因而对超连续谱(SC)产生进行了实验。
图5(2)示出了第四实施例的光纤激光器中的输出光谱。在第四实施例的光纤激光器中，观察到具有700nm带宽的SC光。第三实施例和第四实施例的结果确认了类噪声脉冲具有未在TL脉冲中发现的色散容限。
(第五实施例)
将解释涉及本发明的第五实施例。图9是示出了第五实施例的光纤激光器的方框图。在如图9中结构的光纤激光器中，顺序排列在脉冲传播方向上的是：色散位移光纤(DSF)21、单模光纤(SMF)31、掺铒光纤(EDF)11、DSF 23、光复用(WDM)耦合器66、SMF 32、DSF 22、1/4γ偏振光片61、1/2γ偏振光片62、偏振分束器(PBS)63、隔离器(ISO)64、以及1/4γ偏振光片65，并且以通过这些元件且再返回到DSF 21的环形形成谐振腔。来自泵浦光源71的泵浦光通过WDM耦合器66与DSF 23相结合，并且通过反向泵浦结构来泵浦EDF11。
在第五实施例中，将1480nm波段的泵浦光源用作泵浦光源71。通过输出端口81提取输出光，以及将输出光输入到光谱分析仪或自相关器中，并且观察波形。EDF 11具有较大正常色散38.4ps2/km，EDF具有1.55μm波长，且将总色散设计为在第五实施例的谐振腔中在1.55μm处为-0.0027ps2。
这里，第五实施例的谐振腔中的光纤的各自长度是：DSF 21：2.0m；SMF 31：2.4m；EDF 11：2.5m；DSF 23：3.0m；SMF 32：2.5m；DSF 22：2.0m；以及光纤总长度是14.0m。当获得该第五实施例的光纤激光器的输出光谱时，与第一实施例一样，获得了具有中心波长在1.55μm周围的87nm的3dB带宽的平坦宽谱。
通过使通过输出端口81提取的类噪声脉冲进入高非线性光纤(HNL)51来进行超连续谱产生实验。HNL光纤51在1.55μm波长处的色散值是-0.60ps2/Km，零色散波长是1.532μm，在1.55μm波长处的非线性系数是20/W/km，以及光纤长度是1km。在第五实施例的光纤激光器的输出光谱中，与第二实施例的输出光谱相同，获得了具有950nm带宽的SC光。
将第五实施例的上述谐振腔中的总色散设置为在1.55μm波长处为-0.0027ps2。并且将上述第一至第四实施例的谐振腔中的总色散设置为在1.55μm波长处为-0.029ps2。该总色散量优选地在0附近，并且在本实施例中，将总色散设置为轻微反常色散。
尽管在上述实施例中谐振腔具有环形结构，其也可以具有直线形结构。图17示出了直线形结构的示例。直线形谐振腔包括两面反射镜，在反射镜之间设置作为增益介质的掺稀土元素光纤和色散补偿光纤以产生激光振荡。并且可以通过在上述过程中设置色散值来产生激光振荡。在本实施例中使用波片作为偏振控制器。然而，可以使用非波片的其他偏振控制器，例如光纤环以及法拉第旋转器。
本发明不限于上述实施例。例如，尽管将掺铒光纤用作掺稀土元素光纤，可以使用掺杂有其他稀土元素的光纤，例如镱Yb、钕Nd、镨Pr、铽Tb、钐Sm、钬Ho等。可以适当地选择合适的一种。图18和图19示出了使用掺镱光纤的示例，其中在1μm波长附近产生类噪声模式振荡。因为使用熔融二氧化硅的光纤在不大于1.2μm的短波区域具有较大的正常色散，需要特定的光纤以补偿谐振腔中的色散值。
在该示例中，使用光子晶体光纤(参考文献：OSA Optics Letters，Vol.23，1662，1998)以通过利用光子晶体结构的波导色散、在不大于1.2μm的短波区域中实现反常色散。这里谐振腔色散值成功地符合上述设计指标。此外作为掺稀土元素光纤，可以使用具有双包层结构以增加输出的双包层光纤(参考文献：IEEE Journal of QuantumElectronics，33(7)，1049，1997)和掺杂有稀土元素的普通单模光纤。此外也可以与高输出泵浦光源组合使用以获得超过1W的输出。
此外在上述实施例中，使用了形成谐振腔的、除了掺稀土元素光纤的其他光纤，SMF、DSF、康宁Flexcore 1060。然而，光纤的类型和长度不限于实施例。根据掺稀土元素光纤的色散值和吸收值以及非掺稀土元素光纤的其他光纤的色散值，适当地确定谐振腔的优选色散图。
尽管在实施例中将SMF用作反常色散光纤，光纤不限于SMF。使用具有比SMF的色散绝对值低的色散绝对值的反常色散光纤，以使反常色散光纤更长，以增强光谱展宽。就激励方法而言，具有1.48μm波长的泵浦光为反向泵浦结构。然而，激励波长和激励结构不限于此。例如，可以组合使用具有0.98μm波长的泵浦光和前向泵浦结构。
此外，尽管在上述实施例中将偏振分束器用作锁模装置，其并不限于本实施例。作为其他优选手段，可以列举包括半导体、碳纳米管等的选择性饱和滤光器(saturable absorber)。并且因为谐振腔结构不限于环形谐振腔，并且优选结构是从具有激光振荡示例的谐振腔中适当地选择的。
此外，尽管将高非线性光纤用作使用来自光纤激光器的输出光的SC产生装置，光纤并不限于该示例。比如说，可以使用色散位移光纤、色散平坦光纤、光子晶体光纤。
此外，也可以从类噪声光中产生类噪声脉冲，并且可以通过超连续谱，将所述光用于产生超宽光。首先使用ASE光源代替光纤激光器，并且调制噪声光以产生类噪声脉冲。并且由产生的类噪声脉冲可以进行超连续谱的产生。下文中在图22中将示出用作代替的诸如ASE(放大的自发辐射)光源的普通噪声光(非相干光)的原理结构。
这里，由非相干光源的带宽确定光谱宽度。并且当输出被放大且输入到高非线性光纤中时可能产生超连续谱。在图23中示出了实验的示例。使用电吸收调制器(EA调制器)调制来自具有掺铒光纤放大器的ASE光源的噪声光，以产生具有33ps持续时间的突发噪声。用高输出光放大器将其放大且输入到60m长的高非线性光纤中以产生SC。用光谱分析仪测量小于1700nm的短波侧的输出光谱，并且用分光仪测量长波侧的输出光谱。
尽管在本实施例中将ASE光源用作噪声光，不但ASE光源而且产生连续噪声光的LED和SLD也可以被用作光源。如上所述，类噪声脉冲是持续时间受限且强度波形的时间包络曲线处于脉冲态的突发噪声光，从而通过调制恒定的噪声光也可以获得时间强度包络曲线。
尽管到目前为止将具有约10ps的持续时间的类噪声脉冲描述为类噪声脉冲的示例，涉及本发明的类噪声脉冲不限于此。图25示出了类噪声脉冲的其他示例。
在锁模光纤激光器中获得该脉冲波形，在所述锁模光纤激光器中，调制谐振腔的总色散量以便得到具有900m谐振腔的类噪声脉冲解决方案，并将掺铒光纤用于类噪声脉冲放大。在这种情况下，如图25中所示，获得了在约10ns的长持续时间处、具有相对时间恒定强度波形的包络曲线的方形类噪声脉冲。因而，通过使用具有长持续时间的类噪声脉冲可以由超连续谱展宽带宽。
图24示出了当输入到高非线性光纤的输入功率改变时的输出光谱。当输入功率是1.6W时，光谱密度在从1178nm到2134nm的范围内超过-10dBm/nm，并且获得比传统SC光高约10至20dB的强度。没有发现在传统SC产生中发现的光谱的纹波。此外，光谱形状相对稳定且在整个光谱波段的稳定性不大于0.1dB/小时。
根据本发明，可以实现极大地超过了掺铒光纤的增益带宽的平坦宽谱光纤激光器。可以使用该光纤激光器来提供宽带光源。
Claims (16)
1.一种光纤激光器，在其谐振腔中包括以下部分：
正常色散光纤；
反常色散光纤；
作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及
锁模机制，
其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，并且将所述掺稀土元素光纤的长度设置得比所述反常色散光纤的长度短。
2.一种光纤激光器，在其谐振腔中包括以下部分：
正常色散光纤；
反常色散光纤；
作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及
锁模机制，
其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，在所述掺稀土元素光纤的输出光谱的中心波长处每单位长度正常色散的绝对值比所述反常色散光纤的每单位长度反常色散的绝对值大。
3.一种光纤激光器，在其谐振腔中包括以下部分：
正常色散光纤、反常色散光纤、作为增益介质的掺稀土元素光纤；以及
锁模机制，
其中至少将所述掺稀土元素光纤算为所述正常色散光纤，非线性系数(γ2L2)/(γ1L1)大于1，其中在所述掺稀土元素光纤中，非线性系数是γ1[1/W/m]，长度是L1[m]，包括反常色散光纤在内的谐振腔的其他部件的有效非线性系数是γ2[1/W/m]，长度是L2[m]。
4.如权利要求1、2、3中任一项所述的光纤激光器，其中，在所述谐振腔中输出光谱的中心波长的总色散是在-1ps2至+0.2ps2范围之内的值。
5.如权利要求4所述的光纤激光器，其中，所述掺稀土元素光纤的纤芯部分至少添加了铒(Er)离子。
6.如权利要求5所述的光纤激光器，其中，将所述掺铒光纤在1.53μm波段中的吸收系数的峰值设置在10dB/m至35dB/m的范围之内。
7.如权利要求6所述的光纤激光器，其中，所述谐振腔中的所述掺稀土元素光纤在1.55μm波段中的色散值不小于21ps2/Km。
8.如权利要求7所述的光纤激光器，其中，吸收峰值与色散值的比α/D[dB/ps2]不小于500，其中所述掺稀土元素光纤在1.55μm波段中的色散值是D[ps2/m]，以及在1.53μm波段中的吸收峰值是α[dB/m]。
9.如权利要求8所述的光纤激光器，其中，所述谐振腔包括：用于将泵浦光注入到所述谐振腔中的泵浦光源以及用于复用来自所述泵浦光源的泵浦光的光复用器，并且所述谐振腔还包括：掺稀土元素光纤、单模光纤、偏振分束器、光隔离器、以及偏振片。
10.一种使用如权利要求9所述的光纤激光器的宽带光源，其中，至少将高非线性光纤与所述光纤激光器的输出侧相连以产生超连续谱SC光。
11.一种宽带光脉冲发生装置，包括：
产生类噪声脉冲的脉冲光源，在所述类噪声脉冲中，强度波形的包络曲线处于时间脉冲态；以及
对所述类噪声脉冲激励非线性效应的非线性介质，
其中所述类噪声脉冲在所述非线性介质中产生超连续谱光以产生宽带脉冲光。
12.如权利要求11所述的宽带光脉冲发生装置，其中，所述脉冲光源具有在谐振腔中包括以下部分的激光器谐振结构：正常色散介质、反常色散介质、增益介质、以及锁模机制。
13.如权利要求12所述的宽带光脉冲发生装置，其中，所述正常色散介质由具有正常色散的光纤构成，所述反常色散介质由具有反常色散的光纤构成，以及所述增益介质由掺稀土元素光纤构成。
14.如权利要求11所述的宽带光脉冲发生装置，其中，所述脉冲光源包括：产生噪声光的噪声光源，在所述噪声光中，强度包络曲线是时间常数；以及调制所述噪声光的调制器。
15.如权利要求11所述的宽带光脉冲发生装置，其中，所述非线性介质由色散位移光纤DSF、色散平坦光纤、以及光子晶体光纤或高非线性光纤HNL构成。
16.一种类噪声脉冲发生装置，产生类噪声脉冲，在所述类噪声脉冲中，强度波形的包络曲线处于持续时间受限突发噪声光的时间脉冲态，其中所述类噪声脉冲发生装置包括：产生噪声光的噪声光源，在所述噪声光中，强度包络曲线是时间常数；以及调制所述噪声光的调制器，所述调制器调制所述噪声光以产生所述类噪声脉冲。
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