[发明专利]包括在连续光谱的波长边缘外产生光的连续光谱源

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生连续光谱(continuum)的源，更具体地，涉及包括在连续光谱外，即在其短波和长波边缘之外产生一个或多个光峰的源。

背景技术

在光纤光学领域的应用中，高功率、低噪声、宽带的光源是特别重要的。例如，现在正在向频谱分割方面进行努力，其中，使用普通光源产生许多个波长分隔多路传输(WDM)的信号。因此这种应用具有替代许多具有单一光源的激光的潜力。其它应用包括但不限于频率计量、装置特性、对特性光纤进行的色散测量以及光栅传输特性的测量。通过获得这种宽带源，可以极大地提高所有这些各种诊断工具以及许多其它的应用。

通常，产生连续光谱包括将典型以光脉冲形式的相对高的激光功率引入光纤、波导或其它微结构中，其中，由于在光纤中的非线性相互作用，激光脉冲序列经历显著的谱线展宽。在产生连续光谱方面的先前努力，通常使用具有皮秒数量级(10^-12秒)持续时间的光脉冲在千米长度的光纤中进行的，在产生过程中，所述的先前努力不幸地显示出一致性(coherence)降低。特别是，在该过程的频谱展宽方面期间，发现额外的噪声被引入到系统中。

通过将具有飞秒(10^-15秒)数量级持续时间的光脉冲引入微结构或渐缩光纤的端部，在这种微结构和渐缩光纤中产生波长跨越超过一倍频程(octave)的连续光谱(在现有技术中另称为“超连续光谱”)。由此所产生的极谱是有用的，例如在测量和稳定脉冲-脉冲载波包络相位(pulse-pulse carrier envelopephase)方面以及在高精度的光学频率梳(optical frequency comb)方面是有用的。在基于修正的非线性薛定谔方程(NLSE)模拟微结构光纤中的连续光谱方面的努力，已经瞄准理解在光谱产生过程中所涉及的基本过程，并且所述努力显示出当所引入的脉冲在持续时间上从皮秒数量级缩短至飞秒数量级时更好地保持一致性。

最近已经开发出相对新型的掺锗二氧化硅光纤用作为连续光谱中的波导介质，所述掺锗二氧化硅光纤具有低的色散斜率(dispersion slope)和小的有效面积，下文将其称为“高非线性光纤”或HNLF。尽管HNLF的非线性系数比由小芯部的微结构光纤所获得的非线性系数更小，但是由于HNLF的小的有效面积，该系数是标准传输光纤的非线性系数的几倍大。以前在文献中已经报道了使用HNLF和飞秒光纤激光产生超连续光谱。在2004年8月10日公开所J.W.Nicholson等人的美国专利6,775,447公开了一种HNLF超连续光谱源，它由许多HNLF光纤的单独部分形成，所述单独部分已经熔融在一起，每个单独部分在光源波长处具有不同的色散值，并且具有5～15平方微米之间的有效面积。以其更常见的形式，“高非线性光波导(highly nonlinearwaveguide)”可以被定义为包括除光纤之外的各种光介质，例如在基板上形成的光波导等。对于本发明的目的，术语“高非线性波导”被定义为非线性长度比色散长度(dispersion length)至少短10倍的波导(参见“非线性光纤光学(Nonlinear Fiber Optics)”，G.P.Agrawal)，其中“非线性长度”被定义为输入脉冲的峰值功率乘以波导器非线性系数的倒数，“色散长度”被定义为输入脉冲宽度除以波导器色散参数β₂的平方。

在一些应用中，所希望的是，在给定的连续光谱的波长边缘外产生光(在多数情况下，要求在唯一的窄波长范围内产生光)。对于本发明的目的，连续光谱的“边缘(edge)”可以被定义为光谱功率降低至低于预定值(例如20dB或30dB)的波长。对于不同的应用，实际的“边缘”可以不同。在频率计量应用中，其中目标是将稳定的连续光谱频率梳与位于梳的谱带宽之外的另一光源进行比较，目前的方法(产生谐波)要求一部分的频率梳是“频率加倍”的，使得与要测量的波长重叠。尽管这种结构(arrangement)产生了所希望的结果，但是它需要使用额外的非线性元件。

在本技术领域中，扩展连续光谱(甚至到窄范围的频率)而无需额外的非线性元件的方法将被认为是现有技术中的显著进步。因为连续光谱的短波长边缘通常受到波导介质自身的大的材料色散的限制，所以尝试通过仅增加泵浦功率(pump power)来沿该方向扩展连续光谱已经发现是徒劳的。此外，在连续光谱包括远离连续光谱的谐波(harmonics)的情况下，能够沿着谐波和连续光谱之间的光谱“插入”一个或多个波峰将是有利的。