基于類噪聲脈沖抽運(yùn)的平坦超連續(xù)譜光源

熊 浩，王天樞，紀(jì)?，?，袁 泉，馬萬卓，林 鵬，孫夢(mèng)茹

（1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

引言

超連續(xù)譜光源在光纖傳感、光譜測量、大氣探測和生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]，基于光纖的超連續(xù)譜光源具有超寬帶、高光譜功率和高光束質(zhì)量等特點(diǎn)而被廣泛研究。通常來講，超連續(xù)譜光源主要包括2 個(gè)部分，具有高功率的脈沖激光器和高非線性光纖。微結(jié)構(gòu)光纖和硅基單模光纖均可以用來產(chǎn)生超連續(xù)譜[7-9]，然而微結(jié)構(gòu)光纖與泵浦激光器尾纖的耦合仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。相比于微結(jié)構(gòu)光纖，固態(tài)單模光纖與泵浦激光器的輸出端能進(jìn)行低損耗熔接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)高效的特點(diǎn)。此外，泵浦激光器也是產(chǎn)生超連續(xù)譜的關(guān)鍵部分。常用的泵浦激光器為脈沖激光器，鎖模光纖激光器已經(jīng)被證明能產(chǎn)生各種類型的脈沖，如常規(guī)孤子脈沖、耗散孤子脈沖和類噪聲脈沖等。基于類噪聲脈沖的鎖模光纖激光器已經(jīng)被證明在泵浦非線性光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。類噪聲脈沖在頻譜上表現(xiàn)出超寬帶的特性，相比于傳統(tǒng)脈沖，類噪聲脈沖能更有效地實(shí)現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換[10-11]。此外，類噪聲脈沖還具有高的峰值功率，有利于產(chǎn)生超連續(xù)譜。

目前，基于類噪聲脈沖的抽運(yùn)非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被大量報(bào)道[12-16]。2012年J.C.HernandezGarciaa 等[12]將獲得的類噪聲脈沖在腔外放大后泵浦0.75 km 長的單模光纖得到的超連續(xù)譜范圍是1.5 μm～1.75 μm，并且在1 640 nm～1 750 nm 范圍內(nèi)光譜的不平坦度≤±1 dB。2013年Alexey Zaytsev 等[13]利用ps 級(jí)的類噪聲脈沖泵浦長100 m 的單模光纖，得到了1 050 nm～1 250 nm的平坦超連續(xù)譜，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。2014年Shih-Shian Lin 等[14]報(bào)道了基于摻鉺光纖放大器和高非線性光纖的超連續(xù)譜光源，相應(yīng)的光譜范圍為1.2 μm～2.1 μm，雖然光譜的范圍較寬，但光譜不平坦。2015年Chen 等[15]利用類噪聲脈沖泵浦非線性光纖獲得了500 nm～2 300 nm 范圍的超連續(xù)譜，在700 nm～1 500 nm 范圍內(nèi)光譜的平坦度優(yōu)于5 dB。2017年E.Hernández-Escobar 等[16]報(bào)道了由功率放大的類噪聲脈沖泵浦非線性光纖獲得了超連續(xù)譜，超連續(xù)譜的覆蓋范圍為1 261 nm～2 261 nm，其光譜的平坦度為3 dB。在以上報(bào)道中，由類噪聲脈沖泵浦非線性光纖獲得的超連續(xù)譜的平坦度在3 dB 以上，但獲得平坦度高的超連續(xù)譜時(shí)結(jié)構(gòu)又較復(fù)雜。高平坦度的超連續(xù)譜光源可以更好地滿足光纖傳感、光纖通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并且平坦度高的超連續(xù)譜光源值得研究。

本文提出了一種由類噪聲脈沖抽運(yùn)的平坦超連續(xù)譜光源。在泵浦功率為450 mW 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了中心波長為1 600 nm 的類噪聲鎖模脈沖輸出，尖峰脈寬寬度為303 fs，3 dB 光譜寬度為63.34 nm。利用摻鉺光纖放大器將其諧振腔輸出功率放大至338 mW，并且類噪聲脈沖的光譜沒有明顯的變化。將功率放大后的類噪聲脈沖耦合進(jìn)一段長57 m的高非線性光纖，獲得的超連續(xù)譜覆蓋了1 530 nm～2 300 nm，超連續(xù)譜的最大輸出功率為49.83 mW。其中，在1 736 nm～2 134 nm 光譜范圍內(nèi)，光譜的平坦度優(yōu)于0.5 dB。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于類噪聲脈沖抽運(yùn)全光纖超連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由類噪聲脈沖種子源、摻鉺光纖放大器和一段高非線性光纖（HNLF）組成，其中類噪聲脈沖種子源是基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)原理實(shí)現(xiàn)鎖模的。由2 個(gè)偏振控制器（PC1 和PC2）和偏振相關(guān)隔離器（PD-ISO）組成重要的鎖模器件，其中，PD-ISO 還能保證光脈沖在環(huán)形腔內(nèi)單向傳輸。工作波長為980 nm 的半導(dǎo)體激光器（LD）通過波分復(fù)用器（WDM）泵浦一段長0.8 m 的高摻雜摻鉺光纖（EDF），耦合比為10：90 的光纖耦合器的90%端用于腔內(nèi)反饋，10%端用來輸出脈沖。環(huán)形腔內(nèi)加入長為1 m 的色散補(bǔ)償光纖（DCF）來控制腔內(nèi)色散，使腔內(nèi)凈色散接近零色散；同時(shí)加入6 m 色散位移光纖（DSF），用來增大腔長和增強(qiáng)非線性。腔內(nèi)其他無源器件的尾纖均為SMF-28，尾纖長度估計(jì)為6.24 m，總腔長為14.04 m。在1.5 μm波段，SMF-28、DSF、DCF 和EDF 的色散值分別為-0.022 9 ps2/m、-0.005 1 ps2/m、+0.184 8 ps2/m 和-0.02 ps2/m，因此，經(jīng)過計(jì)算的環(huán)形腔的凈色散為-0.004 7 ps2/m，處于近零反常色散區(qū)，有利于孤子自頻移等非線性效應(yīng)的發(fā)生。

圖1 基于類噪聲脈沖抽運(yùn)的全光纖超連續(xù)譜實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental structure diagram of all-fiber supercontinuum spectrum based on noise-like pulse pumping

由于超連續(xù)譜的產(chǎn)生存在閾值，因此，為了避免種子脈沖的輸出功率達(dá)不到閾值，在激光器輸出端搭建了摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖放大器包括LD（Pump2）、2 m 摻鉺光纖（EDF2）、WDM2 以及隔離器（ISO），ISO 的隔離損耗為33 dB，采用背向泵浦的方式來提高泵浦效率，在放大器的輸出端熔接一段HNLF 來產(chǎn)生超連續(xù)譜。實(shí)驗(yàn)過程中采用最高分辨率為0.05 nm 的光譜分析儀（YOKOGAWA AQ6375）測量光譜，時(shí)域信號(hào)由10 Gb/s 光電探測器和2.5 GS/s 示波器（OSC Agilent DSO9254A）來監(jiān)測，采用自相關(guān)儀（femtochrome，F(xiàn)R-103XL）觀測鎖模脈沖的自相關(guān)軌跡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)抽運(yùn)泵浦功率和偏振控制器，在泵浦功率為450 mW 時(shí)出現(xiàn)了穩(wěn)定的類噪聲脈沖鎖模，此時(shí)的輸出功率約為3.13 mW，類噪聲脈沖的光譜如圖2（a）所示。從圖2（a）可看出，光譜較平滑，和報(bào)道的類噪聲脈沖光譜相似。類噪聲脈沖的中心波長為1 600 nm，3 dB 光譜寬度為63.34 nm。示波器觀測的脈沖序列如圖2（b）所示，脈沖的幅度基本均勻一致，脈沖間隔為71.22 ns，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為14.24 MHz，與14.04 m 的腔長相對(duì)應(yīng)。為了進(jìn)一步確定是類噪聲脈沖鎖模，測量的自相關(guān)軌跡如圖2（c）所示。圖2（c）中插圖為大范圍的自相關(guān)軌跡，一個(gè)窄的尖峰位于一個(gè)大的基底上，這是典型的類噪聲脈沖自相關(guān)軌跡，由一系列隨機(jī)相位、強(qiáng)度和脈沖寬度的超短脈沖組成的脈沖包絡(luò)。對(duì)尖峰采用高斯曲線擬合，相應(yīng)的尖峰脈寬寬度為303 fs。類噪聲脈沖的頻譜圖如圖2（d）所示，信噪比為46 dB，其中插圖為400 MHz范圍的頻譜圖，頻譜沒有調(diào)制，表明類噪聲脈沖鎖模穩(wěn)定。

圖2 類噪聲脈沖鎖模Fig.2 Noise-like pulse mode locking

在獲得類噪聲脈沖鎖模后，將泵浦功率增加至1 000 mW，類噪聲脈沖仍能保持穩(wěn)定的單脈沖運(yùn)行。圖3 給出了不同泵浦功率下類噪聲脈沖的輸出光譜。從圖3（a）可看出泵浦功率從450 mW增加至1 000 mW過程中，光譜的形狀基本保持不變，而光譜的強(qiáng)度隨著泵浦功率的增加有輕微的增加。此外，不同泵浦功率下，類噪聲脈沖的自相關(guān)軌跡如圖3（c）所示，與圖2（c）中插圖的形狀非常相似，在基底上有一個(gè)尖峰，尖峰的寬度保持在303 fs 沒有改變。圖3（b）顯示了類噪聲脈沖光譜的3 dB 寬度隨泵浦功率的變化。從圖3（b）中可以看出，光譜寬度與泵浦功率之間呈線性關(guān)系。在泵浦功率達(dá)到最大1 000 mW 時(shí)，類噪聲脈沖的3 dB 光譜寬度能達(dá)到69.66 nm。

圖3 類噪聲脈沖輸出特性Fig.3 Noise-like pulse output characteristics

由于諧振腔的最大輸出功率為8.6 mW，無法直接泵浦高非線性光纖，需要進(jìn)行功率放大，為此設(shè)計(jì)了摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)。為了確定類噪聲脈沖經(jīng)過摻鉺放大器時(shí)光譜沒有較大的變化，給出了種子脈沖經(jīng)放大器放大后的光譜對(duì)比，如圖4所示。圖4 中黑色虛線為沒有經(jīng)過放大的類噪聲脈沖光譜，紅色實(shí)線為經(jīng)過放大后測得的類噪聲脈沖光譜。從圖4 中可以看出，光譜強(qiáng)度增加，但是光譜沒有較大的改變，說明光脈沖在放大過程中沒有明顯的非線性效應(yīng)。圖5 給出了放大器的輸出功率隨泵浦功率的變化。從圖5 中可以看出，隨著泵浦功率的增加，摻鉺放大器的斜率有緩慢下降的趨勢(shì)。當(dāng)放大器的泵浦功率為1 000 mW時(shí)，放大器的最大輸出功率為338 mW。由于泵浦2 的最大功率為1 000 mW，因此，不能獲得更高的輸出功率。

圖4 類噪聲脈沖放大前后的光譜對(duì)比Fig.4 Comparison of spectrum before and after noise-like pulse amplification

圖5 放大器輸出功率隨泵浦功率變化Fig.5 Amplifier output power varies with pump power

將長為57 m 的HNLF 與放大器的輸出端熔接可產(chǎn)生超連續(xù)譜。使用的HNLF 在1 550 nm 處非線性系數(shù)估計(jì)為10 W-1km-1，截止波長為1 480 nm，此外HNLF 的零色散波長也是1 550 nm。由于類噪聲脈沖包絡(luò)中飛秒脈沖的峰值功率較高，在高非線性光纖中受非線性效應(yīng)影響使光譜展寬，如圖6（a）所示。從圖6（a）可看出，在泵浦2 的功率為300 mW 時(shí)，受到四波混頻（FWM）和光孤子效應(yīng)的作用，在HNLF 的零色散波長附近光譜會(huì)急劇展寬；擴(kuò)展到反常色散區(qū)的光譜在自相位調(diào)制和反常色散的作用下形成了高階孤子。進(jìn)一步提高泵浦功率，脈沖的峰值功率會(huì)超過受激拉曼散射的閾值，在受激拉曼效應(yīng)的作用下會(huì)發(fā)生孤子自頻移，導(dǎo)致光譜向更長的波長范圍擴(kuò)展。隨著泵浦功率的進(jìn)一步提高，光譜寬度會(huì)更寬[17]。從圖6（a）可知，超連續(xù)譜覆蓋范圍為1 530 nm～2 300 nm。隨著泵浦功率的增加，超連續(xù)譜的光譜強(qiáng)度有所增加，但是整體范圍變化不明顯，光譜截止在2 300 nm，這是由于光纖的非線性效應(yīng)和石英玻璃光纖對(duì)2 300 nm 以上的中紅外波段具有很強(qiáng)的吸收損耗。光譜的10 dB 寬度范圍從1 547 nm～2 182 nm，寬度為634 nm。值得注意的是，在1 736 nm～2 084 nm 范圍內(nèi)，光譜的不平坦度≤±0.5 dB，在1 562 nm 處尖峰是由于泵浦光沒有被充分吸收所致。此外，在1 400 nm 和1 900 nm處光譜存在缺陷，這是HNLF 中水吸收引起的。圖6（b）給出了超連續(xù)譜的輸出功率和10 dB 帶寬隨放大器功率的變化，超連續(xù)譜的輸出功率呈線性增加，其最大輸出功率為49.83 mW，超連續(xù)譜的10 dB 也隨泵浦功率的增加而增加，最大帶寬為639 nm。

圖6 超連續(xù)譜和輸出功率以及帶寬Fig.6 Output power and bandwidth of super-continuum spectrum

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)由類噪聲脈沖抽運(yùn)的全光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜光源。利用DCF 和DSF 控制腔內(nèi)色散，提高非線性效應(yīng)，在近零負(fù)色散區(qū)通過調(diào)節(jié)PCs 和泵浦功率實(shí)現(xiàn)了類噪聲脈沖鎖模。類噪聲脈沖的中心波長為1 600 nm，3 dB 光譜寬度為69.66 nm，重復(fù)頻率為14.04 MHz，脈沖尖峰寬度為303 fs。然后將此類噪聲脈沖的直接輸出功率放大，光譜沒有明顯的變化。將功率放大后的類噪聲脈沖注入到一段長57 m 的HNLF 光纖中，實(shí)現(xiàn)了寬帶的超連續(xù)譜，20 dB 光譜范圍覆蓋了1 530 nm～2 300 nm，超連續(xù)譜的10 dB 寬度為639 nm。此外，在1 736 nm～2 134 nm 范圍內(nèi)光譜的平坦度優(yōu)于0.5 dB。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單、平坦的超連續(xù)譜光源在光傳感、光通信和光譜學(xué)等領(lǐng)域具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。