光电振荡器被广泛应用于雷达、通信和测量领域, 是微波光子学领域的研究热点,新概念和新技术的引入促进了光电振荡器研究的发展, 进一步拓展了光电振荡器在现代电子系统中的应用。介绍了引入光电振荡器中的新概念和新技术, 包括宇称-时间对称光电振荡器、傅里叶域锁模光电振荡器、参量振荡光电振荡器和集成光电振荡器, 指出了光电振荡器的未来发展方向。

傅里叶域锁模是一种可以同时获得快速频率或波长扫描和高质量激光输出的方法。以掺铒光纤激光器为例,首次系统性地论证了傅里叶域锁模扫频激光器的研究方法,主要内容包括激光谐振腔长与扫描滤波器速率匹配、腔内色散管理、扫描滤波器性能表征、激光增益介质特性分析、激光器系统设计等理论、原理及方法研究过程,以及激光极限锁模范围、单向扫描性能、不同延迟光纤和滤波器驱动频偏对激光输出功率影响、不同扫描方向激光瞬时线宽受滤波器驱动频偏影响等实验研究与讨论过程。同时,首次演示了以掺铒光纤为激光增益介质且波长扫描范围为3.072 nm、光信噪比为57.31 dB、扫描速率为62.918 kHz、瞬时线宽为4.28 GHz的高质量傅里叶域锁模扫频光纤激光输出,并讨论了其性能进一步提升方法。本文对于初步接触傅里叶域锁模扫频激光技术的研究人员具有重要的指导意义。

傅里叶域锁模(FDML)技术可在保持扫频光源各项指标性能优越的前提下,将扫频速度提高至调谐滤波器的设计极限。为进一步提升FDML扫频激光光源的扫频速度,在激光谐振腔内引入光学缓存装置来实现对扫频光的备份。实验中基于环腔内光学缓存装置的扫频光源中心波长为1310 nm,扫频范围为95 nm,瞬时线宽为0.1 nm,扫频速度翻倍提升至202 kHz,平均输出光功率为7.5 mW。利用光学缓存装置可将传统FDML高速扫频光源的扫频速度翻倍提升,对提升扫频光学相干层析成像(SS-OCT)系统的综合成像性能具有重要意义。

针对现有扫频光学相干层析成像中扫频范围不足的问题,提出了一种基于量子点半导体光放大器(QD-SOA)与量子阱半导体光放大器(QW-SOA)并联的傅里叶域锁模(FDML)高速宽带扫频光源。研究了两种SOA的输出特性,并将中心波长为1310 nm的QW-SOA与中心波长为1280 nm的QD-SOA并联置于光纤环形腔内,结合FDML技术,研制了一种高速宽带扫频光源。该扫频光源的扫频范围为318 nm,半峰全宽为110 nm,扫频速率为101 kHz,光源平均输出光功率为7.8 mW,瞬时线宽低于0.1 nm。

建立了基于傅里叶域锁模(FDML)扫频光相干层析(OCT)系统的数值模型, 通过对FDML光源中的组件进行建模, 利用分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程, 研究了滤波器带宽对光源强度噪声与相位噪声的影响。在此基础上对OCT成像过程中的信号进行了数值仿真, 研究了光源噪声和成像系统中的色散失配对点扩散函数及其滚降特性的影响, 获得了扫频光源中元件特性与OCT系统性能的直接关系。

针对现有光学相干层析成像(OCT)中所用扫频激光光源能量较低这一技术瓶颈, 研究了一种基于SOA级联的傅里叶域锁模(FDML)扫频光源, 利用中心波长为1310nm的半导体光放大器(SOA)搭建了双环形腔扫频光源。对系统中两只SOA的输出特性和基于SOA级联的双环扫频光源的光谱输出特性进行了研究。结果表明, 在SOA工作电流为280mA下, 该扫频光源光功率达28mW, 扫频速度达81.3kHz, 扫频范围超过90nm, 瞬时线宽小于0.03nm。

在搭建的窄瞬时线宽的扫频激光光源的基础上，通过实验和数值模型对影响激光瞬时线宽的主要因素进行了研究。研究结果发现，扫频激光的瞬时线宽会随着色散的增加而变宽，滤波器的带宽和加载给滤波器的信号都会影响瞬时线宽，同时腔内的模式竞争能够保证更窄的激光瞬时线宽。

搭建了一个中心波长为1340 nm、扫频速度为30 kHz的光纤型窄瞬时线宽扫频激光光源，光源相位和光强稳定性高，扫频范围为10 nm，半峰全宽为6 nm，瞬时线宽小于0.018 nm，输出平均光功率为9.1 mW。实验扫频激光光源在傅里叶域锁模技术的基础上，使用精密度为5578、窄透射窗口的法布里-珀罗滤波器(FFP-TF)作为调谐滤波器，以腔内增益介质的自发辐射为背景光，经过单模长光纤后，到达FFP-TF 并对腔内的激光进行调谐滤波，最后稳定地输出窄瞬时线宽的扫频激光。讨论了影响光源瞬时线宽的因素。搭建的窄瞬时线宽扫频激光光源具有极高的精密度和稳定性，可直接应用于对分辨率要求比较高的高速分子光谱学、分子吸收光谱学等领域。

搭建完成了基于单偏振半导体光放大器扫频光源的光相干成像系统，此系统可以实现高速光相干层析成像与光相干显微成像。系统中的扫频光源使用偏振相关的半导体光放大器作为放大单元，该光放大器有着增益谱宽大、输出功率高的优点，使得光源仅使用一个放大器即可获得合适的增益谱宽与输出功率，并可采用傅里叶域锁模技术大幅提高其扫频速率。采用傅里叶域锁模技术时，扫频光源输出功率达到32 mW左右，有效扫描频率为45 kHz，输出光谱的中心波长为1326 nm，光谱宽度为115 nm。利用系统进行高速光相干层析成像时，横向分辨率为9 μm，纵向分辨率为12.9 μm左右，灵敏度为105 dB。利用系统进行光相干显微成像时，可以清楚地看到洋葱内表皮细胞的结构。

实现了基于单偏振半导体光放大器高速扫频光源的光相干层析系统。系统中的扫频光源使用偏振相关的半导体光放大器, 采用傅里叶域锁模结构。偏振相关的半导体光放大器有着增益谱宽大、输出功率高的优点, 使得光源仅使用一个放大器即可获得足够的增益谱宽与输出功率。扫频光源输出功率达到32mW左右, 有效扫描频率为45kHz, 输出光谱的中心波长为1326nm, 光谱宽度为115nm。利用系统进行光相干层析成像时, 横向分辨率为9μm, 纵向分辨率为12.9μm左右, 灵敏度为105dB。利用该系统实现了多种生物和非生物样品的光学相干层析成像。