小中大超连续谱光源发展状况(转载)
超连续谱光源(Supercontinuum)能在很大的谱宽范围内同时产生高重复频率的超短光脉冲,是DWDM系统中极具潜力的光源。Supercontinuum 光脉冲源和用于光纤通信的其它超短脉冲光源相比,具有如下优点:
(1)带宽大,利用光谱切片滤波技术可在百纳米级的连续光谱区内提取任意带宽的多个中心波长,并且脉冲的带宽和形状由滤波器特性决定。
(2)稳定性好,主要由泵浦光稳定性和光滤波器特性决定,典型值是1GHz/0C,为激光二极管的1/10。
(3)重复频率由泵浦光源决定,可以产生高速率的载波信号。
1 发展动态
1970 年,R.R.Alfano 和S.L.Shapiro 利用倍频锁模钕玻璃皮秒激光脉冲泵浦BK7 光学玻璃,首次获得400~700nm 的Supercontinuum 谱,从此宣告了Supercontinuum 谱研究的开始。由于Supercontinuum 谱的形成是一个极其复杂的非线性光学过程,当时并没有完善的理论解释,所以人们最初的研究主要是集中在对Supercontinuum 谱形成机理的解释上。R.R.Alfano 和S.L.Shapiro 等人提出Supercontinuum 谱的形成是一种四波混频(FWM)过程。随之,N.Vloembergen 和W.L.Smioth 等人通过研究发现自相位调制(SPM)效应和自聚焦效应是Supercontinuum 谱形成的主要原因。在前人基础上,J.T.Mamnassah 通过大量的实验,发现Supercontinuum 谱的结构、形状和谱宽都显著的依赖于介质非线性折射率系数n2、泵浦脉冲形状、波长、脉冲宽度、功率密度、相位调制和介质的有效长度。
上世纪70 年代中期超低损耗单模光纤的研发成功,使得光纤中的非线性效应开始变得显著起来,在光纤中产生超连续谱成为可能。由于光纤波导的长度可以灵活控制,所需泵浦光功率低,人们逐渐将目光投向了光纤波导中的Supercontinuum 谱研究,并取得了辉煌的成果:
1978 年观察到了光纤中的Supercontinuum 现象;
1989 年,M.N.Islam 等人首次在光纤中获得宽带孤子脉冲;
1992 年B.Gross 和J.T.Mamnassah 对光纤负色散区Supercontinuum 谱的形成进行了比较系统的理论研究;
1994年,日本NIT 的T.Morioka 等人利用6.3GHz 主动锁模惨饵光纤环形激光器产生的3.3ps 超短脉冲泵浦色散位移光纤(DSF)获得谱宽达200nm 的Supercontinuum 谱,进一步采用光学带通滤波器首次获得脉宽小于4ps 的用于DWDM 系统的Supercontinuum 脉冲;
1997 年,K.Mori 等人利用GVD 与波长的二次幂函数关系成功实现了在色散平坦渐减光纤(DFDF)中产生近200nm的平坦Supercontinuum 谱。研究表明,光纤GVD 与波长满足二次幂函数关系且沿着光纤长度GVD 值呈线性递减时,有利于平坦、宽带Supercontinuum 谱的形成。
1998 年,H.Sotobayashi 和K.Kitayama 成功利用常规负色散光纤和正色散平坦光纤级联组合实验获得谱宽达325nm 的Supercontinuum 谱。
1999 年,G.A.Nowak等人报道在短距离常规色散位移光纤(DSF)光纤中产生稳定的Supercontinuum 谱。
2000 年,T.A.Birks等人报道在锥形光纤中得到谱宽达1175nm 的超宽Supercontinuum 谱。
2003 年,Arnaud Mussot 等人利用亚纳秒YAG 激光器在常规色散位移光纤的试验中产生了1100nm 的超宽超连续谱,将常规光纤中超连续谱的研究推向及至。
最近几年,高非线性光纤(HNLF)和光子晶体光纤(PCF)在超连续谱产生的研究中引起了人们的广泛关注。高非线性光纤是一种具有较小有效纤芯面积,掺锗的石英光纤。通常它的模场直径小于5 m,而普通单模光纤的约为9 m。因此这种光纤的非线性系数一般为8~25/W.km,比普通光纤的2~3/W.km 要高好几倍,从而更容易产生各种非线性效应。另外由于它的零色散点在1550nm 附近,用它产生光通信波段的超连续谱具有特别的优势。
2003 年,J.W.Nicholson 等报道利用按色散逐渐减小的顺序连接的四段高非线性光纤产生了超过1100nm 的超宽超连续谱。
2004 年,A.K.Abeeluck 等研究发现,高非线性光纤中靠近零色散点处的反常色散区发生的调制不稳定(Modulation Instability)导致了光谱发生展宽,而随后产生受激拉曼散射(SRS)增强了这种展宽,最终超连续谱在这两种非线性效应的作用下产生。
2005 年,Akheelesh K.Abeeluck 等比较了高非线性光纤的正常色散和反常色散区中超连续谱的产生,结果表明,除了调制不稳定(MI)和受激拉曼散射(SRS)外,蓝移(Blueshift)和非孤子辐射(Nonsolitonic radiation)也对超连续谱的产生有贡献。并且在正常色散区,很大频率范围内的泵浦光都可以产生超连续谱。
在2008 年的OFC 会议上,美国OFS 公司的J.W.Nicholson等人报道了用波长为1560nm,重频为30MHz 的飞秒掺铒光纤激光器作泵源在HNLF+PCF上产生了从400nm 到2.25 m 共1800nm 宽的超宽Supercontinuum 谱。