1 引言

近年来,1.7 μm波段(1650~1850 nm)光源以其特殊的光谱性质成为国内外研究的热点。该波段处于水分子两个吸收峰(1.45 μm和1.9 μm)之间的低谷,同时位于脂肪和胶原的吸收峰。1.7 μm波段光源用于含水生物组织成像探测时,能降低吸收损耗,并且增加成像的深度。因此,1.7 μm波段光源适用于光学相干层析成像、多光子荧光显微成像等生物医疗领域^[1-5],该波段多波长光源还能有效提高光学相干层析成像的动态范围以及减缓灵敏度随成像深度的增加而减小的趋势^[6-7]。由于1.7 μm波段覆盖了C—H共价键的吸收峰,因此被广泛应用于聚合物焊接处理及有机物测量与检测等领域^[8-11]。此外,1.7 μm波段高功率光源可作为波长3~5 μm中红外波段激光器的抽运源^[12-13],与其他抽运波长(808 nm和1.3 μm)相比,1.7 μm波段的抽运更容易产生4 μm波段的激光并能降低量子亏损^[14]。

随着1.7 μm波段光源的发展,关于该波段的宽带光源、连续光源和光放大器的研究越来越多。实现1.7 μm波段光源的方法主要有两种:1)通过抽运各种掺杂光纤(如掺铥光纤^[15-16]、掺铋光纤^[17]和铥铽共掺光纤^[18])产生覆盖1.7 μm波段的宽带谱,进一步通过滤波的方法调整谱形和谱宽;2)采用光纤光参量振荡或基于非线性效应产生覆盖1.7 μm波段的宽带谱^[19-27],其中抽运光为1550 nm波段光源。

掺铋光纤、铥铽共掺光纤属于较为特殊的光纤,其工艺复杂且不太容易获得。掺铥光纤增益谱覆盖1.7 μm波段,不过该波段属于增益谱边缘,强度低。基于非线性效应实现频率转换的方法属于简单可行的方法,其中基于受激拉曼散射的方法是实现其他波段光源的常见方法,不过受激拉曼散射常发生在正常色散区域。相比于受激拉曼散射,在反常色散区域产生的超连续谱也是实现1.7 μm波段的优选方法之一。可调脉冲光作为抽运光源,其阈值更低,转换效率更高,且容易实现对所得宽带光源光谱的控制^[28]。

采用连续光源和级联调制器组合的方式,在反常色散区域抽运高非线性色散位移光纤以产生超连续谱。利用光纤波分复用器对所得光谱进行滤波,得到峰值波长为1748.9 nm的宽带光源,其输出功率约为22 dBm,20 dB的光谱范围约为1.6~2 μm。再利用Sagnac滤波器得到频率周期为2.5 nm、强度周期为9.5 dB的多波长宽带光源,这为研究1.7 μm波段的宽带光源提供一定的参考。

2 实验结构及原理

实验结构如图1所示,1550 nm波段可调谐连续激光器(OM2210,Tektronix,美国)作为光源,利用第一强度调制器(IM1)对输出波长为1565 nm的连续激光进行强度调制,由任意波形发生器(AWG,M9502A,KEYSIGHT,马来西亚)产生的10 GHz和5 GHz双频率正弦信号被微波放大器(EA1)放大后驱动IM1,使输出脉冲的脉宽更窄且形状接近于高斯脉冲^[29]。利用第二强度调制器(IM2)对经调制后产生的脉冲光进行二次调制,由AWG产生的调制频率为200 MHz、占空比为1%的方波信号被微波放大器(EA2)放大后驱动IM2。级联调制器输出的是重复频率为200 MHz的脉冲光。脉冲光通过光放大器(AEDFA-23-B-FA,Amonics,香港,中国)的预放大后达到二级放大所需要的阈值,再经过铒镱共掺光纤放大器(EYDFA,FOA-9033,HOYATEK,深圳,中国)被进一步放大。放大后的脉冲光被注入到1 km的高非线性色散位移光纤(HNL-DSF)中,产生超连续谱。HNL-DSF的非线性系数为10.8 W^-1·km^-1,1550 nm处的色散系数为(0±1) ps·nm^-1·km^-1。1550 nm和1670 nm复用的波分复用器(WDM)用作一次滤波,由一段1.5 m长的保偏光纤(PMF)、偏振控制器(PC)和一个光纤耦合器(OC)组成的Sagnac环用作二次滤波,将滤波后的光输入到光谱分析仪(OSA,AQ6375,Yokogawa,日本)中以观测其光谱,再经10 GHz的光电探测器(PD)后输入到示波器(OSC,DSO-X 93204A,Agilent Technologies,美国)以观测其波形。

图 1. 1.7 μm宽带光源实验结构图

Fig. 1. Experimental design of broadband light source at 1.7 μm

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级联调制器可以用于产生重复频率和脉宽可调的脉冲光,第一调制器用于产生窄脉宽的脉冲序列(皮秒量级),第二调制器通过时间同步产生不同重复频率的脉冲序列,具体原理如图2所示,其中T为时间。

图 2. 基于级联调制器的脉冲序列产生原理

Fig. 2. Generation principle of pulse sequence based on cascaded-modulator

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光纤中超连续谱的产生是非线性效应和色散效应共同作用的结果。脉冲光在光纤中传输产生超连续谱的过程可由非线性薛定谔方程(NLSE)来表示,当抽运脉宽大于1 ps时^[30], 有

∂A∂z+α2A+∑m≥1βmim-1m!∂m∂TmA=iγA2A,(1)

式中:A为脉冲振幅;α为损耗系数;β_m为m阶色散系数;γ为非线性系数。

当脉宽较宽的抽运脉冲(脉宽为皮秒、纳秒量级甚至连续波激光)作用于光纤反常色散区时,调制不稳定性效应(MI)主导了超连续谱的初始产生过程,由于MI的作用,入射脉冲在传输足够的距离之后,会分裂并演化为一系列的孤子脉冲。其后,每一个子脉冲都会经历孤子分解、孤子自频移等过程,从而展宽超连续谱。光纤在不同抽运波长处有不同的群速度色散,且放大器在不同波长处存在不同的增益,导致不同波长抽运脉冲的输出功率也不相同。因此,不同波长下的超连续谱是不同的^[31]。

Sagnac滤波器具有梳状滤波的作用,输出光谱的周期与所选PMF的长度有关,可表示为

Δλ=λ2/(LΔn),(2)

式中:λ为工作波长;L为PMF的长度;Δn为PMF快慢轴折射率之差。

当λ=1.7 μm、L=1.5 m、Δn=8×10^-4时,Sagnac滤波器输出光谱的周期约为2.4 nm。

3 结果与讨论

实验中,将中心波长为1565 nm、输出功率为13 dBm的连续激光注入第一强度调制器中进行调制,加载经微波放大器放大后的10 GHz和5 GHz的双频率正弦信号,光信号经光电探测器转换为电信号,利用示波器进行测量,可以观察到如图3所示的62 ps的脉冲信号。将获得的脉冲光注入第二强度调制器中进行二次调制,加载经微波放大器放大后的重复频率为200 MHz、占空比为1%的方波信号。由示波器测量到的输出电信号如图4所示,通过对比可知,输出脉宽基本不变。因此,可通过级联调制对脉冲光进行调整优化,以便对超连续谱进行实验研究。

图 3. 经过IM1后的输出信号

Fig. 3. Output signal after IM1

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图 4. 经过级联调制器后的输出信号

Fig. 4. Output signal after cascaded-modulator

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较低的输出光功率达不到EYDFA放大所需的功率阈值,因此通过加入一个小信号放大器对功率进行放大。将经EYDFA放大后的脉冲光注入到1 km的HNL-DSF中,随着输出功率的不断增加,非线性效应开始产生,从而产生超连续谱。将衰减后的光谱注入光谱分析仪,当抽运波长为1565 nm时,不同输出功率下的光谱如图5所示,随着输出功率的增加,光谱越发趋于平坦,光谱宽度也越来越宽,长波处可达到2050 nm。但此时存在一大部分残留的抽运光及放大器带来的放大自发辐射(ASE)光谱。然而,从图5中未观察到色散波,根据色散波的产生条件^[32-33],推测可能是由抽运脉宽有限和峰值功率不足所致。所以,图5中没有向短波方向延伸的光谱。

图 5. 经过HNL-DSF后不同输出功率下的光谱

Fig. 5. Spectra after HNL-DSF under different output powers

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此外,在固定激光器功率和光纤放大器输入电流的条件下,抽运光在不同波长处的输出特性如表1所示,表1中 P-为抽运光输出的平均功率,P₀为抽运光输出的峰值功率,τ为抽运光输出的脉宽,其中平均功率和脉宽是由实验测量获得的,峰值功率是根据实验结果计算得到的。根据输出特性可以进行下一步实验设计及结果分析。由表1中的平均功率可知,相比于其他波长,1565 nm波长更接近所用放大器增益光谱的最高点,具有较大的增益。同时由于超连续谱激光的光谱特性与抽运激光的峰值功率和波长有关,因此在实验中选取1565 nm抽运光。

将不同波长的抽运光注入HNL-DSF,测得的光谱如图6所示,理论上,当抽运波长在正常色散区域时,光谱展宽以长波部分的受激拉曼散射为主^[32];而当抽运波长调节到零色散区域及较接近零色散波长的反常色散区域时,调制不稳定性和拉曼散射是导致光谱展宽的主要机制。从实验结果来看,当抽运波长为1545 nm时,光谱展宽以受激拉曼散射为主。抽运波长为1565 nm和1550 nm时,光谱展宽形状基本一致,光谱展宽机制差别不大,应该都属于拉曼散射、孤子自频移等效应。图中1565 nm抽运光产生的光谱展宽大于1550 nm,这是由于1565 nm波长更接近所用放大器增益光谱的最高点。当抽运波长调节到1575 nm时,光谱展宽不明显,其原因是光放大器在1575 nm波长处的增益不大,有限的抽运光放大功率不足以产生宽带谱。图7为抽运波长为1565 nm、输出功率为33 dBm时产生的超连续谱所对应的信号波形图。

图 6. 经过HNL-DSF后不同波长下的光谱

Fig. 6. Spectra after HNL-DSF under different wavelengths

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图 7. 经过HNL-DSF后输出信号波形图

Fig. 7. Waveform of output signal after HNL-DSF

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由图6可知,所得光谱中1550 nm波段的抽运光占主要部分,为得到1.7 μm宽带光源,采用1550 nm和1670 nm复用的WDM滤掉残余的抽运光,完成光谱整形。经WDM滤波后的光谱如图8所示,抽运光基本被滤除,谱形趋于平坦,得到峰值波长为1748.9 nm的宽带光源,其输出功率约为22 dBm,20 dB的光谱范围约为1.6~2 μm,谱宽约为419 nm。

图 8. 经过WDM滤波后的光谱

Fig. 8. Spectrum after WDM filtering

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在输出光功率受限的情况下,将利用Sagnac梳状滤波器得到的多波长光源应用于光学相干层析成像中,可以进一步改善灵敏度和动态范围,并且光纤Sagnac梳状滤波器也被用来对光源的输出进行光谱采样^[7]。因此采用Sagnac滤波器进行再次滤波,滤波后的宽带谱如图9(a)所示,得到宽带梳状光源输出光谱的周期为2.5 nm,与(2)式计算结果基本

一致,图9(b)为宽带谱的细节图。经滤波后的输出电信号如图10所示,所得宽带光源的脉宽为388 ps。出现该现象的原因包括:1)WDM在两个输出波长之间的交叉区域中的色散变化较大,当过滤此区域光谱时,可能产生脉冲展宽;2)当入射脉冲经过Sagnac环时,Sagnac梳状滤波器会改变光谱形状和谱宽,同时在光谱中产生高频分量,在一定程度上也会影响脉冲展宽。

如图9所示,利用Sagnac环滤波所得的光谱并不理想,中心波长发生偏移,需要重新优化滤波器、适当减小插入损耗或寻找更优的滤波手段来实现中心波长为1.7 μm的多波长宽带光源。同时,产生的脉冲光脉宽恶化严重,通过适当减小HNL-DSF的长度、减少色散对脉宽的影响或加入色散补偿来尝试实现脉宽更窄的宽带光源。

图 9. 经Sagnac滤波后的结果。(a)宽带光谱图; (b)光谱细节图

Fig. 9. Results after Sagnac filtering. (a) Broadband spectrum; (b) spectral detail map

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图 10. 宽带光源的输出信号

Fig. 10. Output signal of broadband light source

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在固定激光器功率、光纤放大器输入电流和第一调制器调制频率的前提下,调节第二调制器的调制频率,使其分别为200,250,400 MHz,将不同重复频率的抽运脉冲注入HNL-DSF,观测不同重复频率的抽运脉冲对产生超连续谱和滤波后光谱的影响,实验结果如图11所示。由图11(a)可知,第二调制器的调制频率为200,250,400 MHz时,产生的光谱谱宽明显较窄,这是由于在相同平均功率的条件下,频率低的信号具有更高的峰值功率,从而得到更宽的光谱展宽。由图11(b)可知,当第二调制器的调制频率为200 MHz时,Sagnac环存在较大的损耗且工作状态没有被优化,过滤了大量较低功率的长波光谱,从而导致滤波后的光谱差别不大。

此外,利用光功率计测量光谱功率在50 min内的波动情况,如图12所示,结果显示所得多波长激光输出的平均功率在50 min内的抖动约为±1 dB。抖动主要是由抽运源、放大器的功率波动和实验温度变化等环境因素引起的。

图 11. 不同重复频率下的光谱。(a)经过HNL-DSF;(b)经过Sagnac环

Fig. 11. Spectra under different repetition rates. (a) After HNL-DSF; (b) after Sagnac ring

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图 12. 多波长激光输出的功率抖动

Fig. 12. Power fluctuation of multi-wavelength laser output

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4 结论

提出一种基于级联调制器抽运源产生超连续谱并采用光纤波分复用器滤波整形的方法,获得峰值波长为1748.9 nm、20 dB谱宽约为419 nm、输出功率约为22 dBm的宽带光源,并通过加入Sagnac滤波器得到频率周期为2.5 nm、强度周期为9.5 dB的多波长宽带光源。此外,实验分析了不同抽运功率、波长及重复频率对超连续谱展宽的影响。该结果为1.7 μm波段宽带光源的研究以及其作为光源在光学层析成像系统中的应用提供重要参考。

致谢 感谢中佛罗里达大学闻和、天津大学王伟、山西医科大学杨光晔在光源产生及脉宽演化理论方面的讨论和帮助。