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提出在1550 nm 波段采用双波长相干超短脉冲光源抽运高非线性光纤获得超连续谱。双波长脉冲抽运能够加强光纤中的四波混频和交叉相位调制过程,从而在相同抽运光功率下,可获得宽度远大于单波长脉冲抽运的超连续谱。利用基于脉冲切割器和Mamyshev再生器的25 GHz双波长相干超短脉冲光源,在入纤功率为24.1 dBm 时,获得了130 nm 宽度的超连续谱,并进一步证实了所获超连续谱谱线之间的相干性。
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第 35 卷 第 4 期
2015 年 4 月
Vol. 35, No. 4
April, 2015
光 学 学 报
ACTA OPTICA SINICA
0406001-
基于双波长相干超短脉冲光源的超连续谱产生
李 旻 霍 力 王 东 王 强 姜向宇 娄采云
清华大学电子工程系, 北京 100084
摘要 提出在 1550 nm 波段采用双波长相干超短脉冲光源抽运高非线性光纤获得超连续谱。双波长脉冲抽运能够
加强 光纤中的四 波混频和交 叉相位调制 过程,从而 在相同抽运 光功率下,可获得宽度 远大于单波 长脉冲抽运 的超
连续谱。利用基于脉冲切割器和 Mamyshev 再生器的 25 GHz 双波长相干超短脉冲光源,在入纤功率为 24.1 dBm 时,
获得了 130 nm 宽度的超连续谱,并进一步证实了所获超连续谱谱线之间的相干性。
关键词 光纤光学;超连续谱;双波长抽运;高非线性
中图分类号 TN929.11 文献标识码 A
doi: 10.3788/AOS201535.0406001
Supercontinuum Generation Based on Dual-Wavelength Coherent
Ultrashort Pulses
Li Min Huo Li Wang Dong Wang Qiang Jiang Xiangyu Lou Caiyun
Department of Electronic Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract Supercontinuum around 1550 nm using a dual- wavelength coherent ultrashort pulse source is
demonstrated.Dual-wavelength pulse pumping can strengthen the processes of four-wave-mixing and cross-
phase- modulation, thus, it generates a much broader supercontinuum than regular single- wavelength
pumping at the same pump power. Based on pulse carver and Mamyshev regenerator 25 GHz dual-wavelength
coherent ultrashort pulse source,130 nm supercontinuum is experimentally obtained with a pump power of
24.1 dBm.Coherence between the spectral lines is also verified.
Key words fiber optics; supercontinuum; dual-wavelength pumping; high nonlinearity
OCIS codes 060.2330; 060.4370; 320.6629
收稿日期: 2014-10-13; 收到修改稿日期: 2014-11-18
基金项目: 国家 973 计划(2011CB301703)、国家自然科学基金(61275032)、清华大学自主科研计划(20131089359)
作者简介: 李 旻(1985—),男,硕士研究生,主要从事信息光电子学与高速光通信方面的研究。
E-mail: lim12@mails.tsinghua.edu.cn
导师简介: 霍 力(1976—),男,副教授,主要从事信息光电子学与高速光通信方面的研究。E-mail:lhuo@tsinghua.edu.cn
1 引 言
超连续光谱(SC)在光谱分析、多波长光通信、光模数转换(A/D)、高速光采样、任意波形发生等方面具有
重要的应用价值。文献[1-3]已经报导了在低色散量的色散位移光纤(DSF)及高非线性光纤(HNLF)中产生
SC 并获得了应用
[1-3]
。为了提高 SC 的宽度,人们进行了大量的分析并研制了各类光纤:1)色散平坦-渐减光
纤,不会像 DSF 一样,其色散渐减使自相位调制展宽效应不随着在光纤中传输距离的增大而渐减,在后段小
色散的情 况下,四波 混频(FWM)效应更容易产生,并且产生的 SC 光谱平坦 性也比较 好
[4]
;2)拉锥光纤,只要
把它的 芯区直径减 小到一 般 DSF 光纤 的 1/4~1/5
[5]
,芯区面 积就可以近似达到 一般光 纤的 1/20,且非线性系
数可以 近似 达到普 通 DSF 光纤的 20 倍 ;3)光 子晶体光纤(PCF),它可以控制 光波的模式 、偏振方 向和 频率,
通过设计,光子晶体光纤的非线性系数可以大大增加,可达到一般光纤的几千倍
[6-10]
。硫化物玻璃的非线性
系数高于 石英材料光纤纤 维的数百 倍,基于此 文献[11]报 导了利用硫化物 玻璃纤维 获得了 1.5 mm 宽的中红
外宽谱光源。双波长抽运是获得宽 SC 的另外一条途径,利用 1064 nm 基频与倍频光或 1064 nm 与波长差为
数百纳米的双波长光 脉冲,抽运 PCF,在高功率抽运下基 于光纤中的自相位调 制(SPM)、级联的 交叉相位调
1
光 学 学 报
0406001-
制(XPM)和受激拉曼散射(SRS)、四波混频(FWM)、调制不稳定及孤子自频移等多种非线性效应获得 1 mm 或
更宽 的 SC
[12- 14]
。然 而 在以 上 多种 非线性 效应的 共同作 用下获 得的 SC 光谱中 谱线的 精细结 构复杂 ,甚 至无
序。而在多波长光通信、光模数转换、高速光采样、任意波形发生等应用中要求 SC 谱尽量平坦、信噪比高、谱
线间隔分布均匀并且彼此之间相位稳定
[3-4]
。
本文提出采用波长较小间隔(约 10 nm)的双波长光脉冲抽运,该方法较单波长光脉冲抽运扩宽了 SC 谱
宽度,同时解决 了 SC 光谱结 构无序的问 题。研究了 这种双波长抽运产生 SC 的机理及 FWM 效应的作用,采
用光谱切割方法获得相干的双波长、25 GHz 重复频率的超短光脉冲,在较低抽运功率下获得了宽度为 130 nm、
间隔为 25 GHz 谱线有序排列的 SC,验证了产生 SC 的相干性。
2 双波长超短脉冲抽运有效展宽超连续谱的分析
光纤中 SC 的产生是由光纤中 SPM、FWM、XPM 和 SRS 效应综合作用的结果
[15]
,因为在窄脉冲作用下 SRS
的阈值很高,实际的抽运功率达不到这个水平,所以这里不考虑 SRS 效应。SPM 随着脉冲在传输过程中非线
性效应的累积而缓慢地使频谱展宽,当展宽频谱越过光纤零色散点后,在 FWM 和 XPM 效应共同作用下,光
谱能够被更有效地展宽,最终形成 SC。
双脉冲在光纤中传输过程中,若两束光波的传播方向和偏振方向都相同,那么非线性相移分别为
[15]
φ
NL
1
= n
2
k
0
z(
||
E
1
2
+ 2
||
E
2
2
), (1)
φ
NL
2
= n
2
k
0
z(
||
E
2
2
+ 2
||
E
1
2
), (2)
式中 n
2
为折 射 率系 数 ,k
0
为波 矢 大小 ,z 为传 播 距离 ,E
1
、E
2
分别 为 双脉 冲 振幅 。 其中 (1)、(2)式 右侧第 一 项为
SPM 引起的 非线 性相 移,第 二项为 XPM 带来的相 移。 由此 可见 ,对相 同的光强,XPM 作用是 SPM 作 用的 两
倍。此外,在光谱 展宽过 程中,当双 脉冲在 时域上相对位置较近,且 频域上靠近光纤零色散 点处时 ,可 有效
产生 FWM 效应,使光谱展宽更加迅速。
对比双脉冲抽运产生 SC 与单脉冲抽运产生 SC,利用非线性薛定谔方程
[15]
:
∂A
∂z
+
αA
2
+
iβ
2
2
∂
2
A
∂T
2
-
β
3
6
∂
3
A
∂T
3
= iγ
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
||
A
2
A +
i
ω
0
∂
∂T
( )
||
A
2
A - T
R
A
∂
||
A
2
∂T
, (3)
式中 A 为脉冲慢变包络振幅,z 为脉冲在光纤中传输的距离,T 为以中心波长群速度移动的参考系的时间参量,
α为光纤传输过程中的损耗,γ为非线性系数,β
2
、β
3
分别为二阶和三阶色散系数,ω
0
为角频率,T
R
为拉曼系数。
对上述 方程进 行数值模拟,可 计算出 在保持总抽运功率 不变的 条件下 ,双波长 抽运比单波长抽运 在频
谱展宽上更具优势。计算中,抽运光的中心波长分别设定为 1544 nm 和 1554 nm;抽运脉冲为高斯形状,半峰
全 宽 为 2 ps;HNLF2 长 度 为 500 m,非 线 性 系 数 为 11(km ·W)
- 1
,光 纤 零 色 散 点 在 1550 nm 处 ,色 散 斜 率 为
0.006 ps/(nm
2
·km)。图 1 给出了产生的 SC 的 20 dB 谱带宽随抽运总功率的变化情况。值得注意的是,图中横坐
标为输入到 HNLF2 的总抽运功率,以输入总功率为 17 dBm 为例,单波长抽运情况下,1544 nm 和 1554 nm 波长
输入 HNLF2 的功率均为 17 dBm,双波长抽运条件下,每个波长输入到 HNLF2 中的功率为 14 dBm。从图 1 可以
图 1 SC 的谱带宽随抽运总功率变化趋势图
Fig.1 Bandwidths of SC versus the total pump power
2
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