专利名称：光脉冲压缩器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光脉冲压缩器，特别是涉及在用于产生高强度短光脉 沖的光源中使用的光脉冲压缩器。
背景技术：
用于产生高强度短光脉冲的现有方法中的 一种是压缩从各种光脉 沖源输出的光脉冲的方法。基于光纤的非线性效果，大致存在两种脉 冲压缩器。
第 一种是使用正常色散光纤和色散补偿器的脉冲压缩器。
在这种情况下，正常色散光纤由于自相位调制(SPM)和群速度
光脉冲在被输入到具有正;色散的光纤时在光语P上变宽并在整个脉冲 宽度上被正啁啾。
脉冲在穿过光纤之后被发送到具有衍射光栅对的色散补偿器并且 由于异常GVD被压缩。正常色散意味着时间轴上的延迟对于较短的 波长较大，并且，引起这种色散被称为执行正啁啾或给予正啁啾。异 常色散意味着延迟对于较长的波长较大。使用正常色散光纤和色散补 偿器的该压缩器将被特别称为啁啾补偿压缩器。
第二种是使用异常光纤的脉冲压缩器。在这种情况下，输入脉冲 由于孤子效果而被压缩。孤子是这样一种现象或者是表示该现象的脉 沖本身，在该现象中，由于因光纤的GVD引起的脉沖变宽均衡了由 于因光纤的异常导致的SPM而引起的脉冲缩短，因此脉冲在没有波 形变化的情况下在光纤中传播。
这里，由于SPM效果随着光脉冲的强度增加，因此高强度光脉 沖在经由光纤传播的过程中被压缩。在这种情况下，存在输入脉冲的2009
强度越高则压缩因子(输入脉冲宽度除以输出脉冲宽度)越高的趋势。 这种具有异常色散光纤的压缩器将被特别称为高阶孤子压缩器
(■high-order soliton compressor)。
Tai等人的论文(Applied Phys. Lett" vol. 48， pp. 1034-1035 (1986 ))表明，通过连续使用上述两种方法的二级压缩器，实现1100 的高压缩因子。
该实验使用由在1.32jam (微米)的波长下操作的模式锁定的钕: 钇铝石榴石(YAG)激光器产生的100ps (皮秒)输入脉沖。通过使 用具有正常色散光纤和衍射光栅对的上述啁啾补偿压缩器，实验的第 一级压缩产生压缩到2ps的宽度的脉冲。该脉冲进一步被第二级高阶 孤子压缩器压缩以获得具有90fs (飞秒)的脉冲宽度的所得输出脉冲。
上述的啁啾补偿压缩器已被有利地用于比块体石英的零色散波长 (约1.3pm)短的波长。这是由于普通石英光纤对于比块体石英的零 色散波长短的波长表现出正常色散。另一方面，通过仔细选择构成光 纤的材料和折射率轮廓(profile)，可以实现对于比块体石英的零色 散波长(约1.3pm)长的波长表现出正常色散的光纤。可通过主要包 含例如四氟化锆(ZrF4)和四氟化铪(HfF4)的氟化物光纤实现这种 光纤。
通过使用对于比块体石英的零色散波长长的波长表现出正常色散 的光纤，可将啁啾补偿压缩器应用于这些波长。在这些波长中的操作 的优点包含通过用主要包含石英的一个异常光纤代替衍射光栅对，实 现低成本和稳定的全光纤压缩器。
发明内容
在上述的论文(Applied Phys. Lett., vol. 48， pp. 1034-1035( 1986 ))
中说明的结构具有问题。具体地，由于在第一级啁啾补偿压缩器中使 用衍射光栅对，因此它十分昂贵，并且，存在由于扰动等导致的光轴 的位移会导致整个系统不稳定的担心。此外，在第二级高阶孤子压缩 器中，输出脉冲一般包含基座(pedestal)(主脉沖以外的能量分量)。
5由于作为总脉冲能量的百分比给出的基座的能量具有随输入脉冲的强 度增加的趋势，因此用于高强度输入脉冲的压缩器需要进一步的改进。 换句话说，需要在其色散补偿器中没有衍射光栅对并且即使对于 高强度的输入脉冲也实现具有很少基座的压缩的脉冲压缩器。
根据本发明的光脉冲压缩器包括啁啾单元，包含向输入脉沖提 供正啁啾的正常色散光纤；和色散补偿器，包含补偿从啁啾单元向输 入脉冲提供的正啁啾的异常光纤。形成色散补偿器的异常光纤的非线 性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为 一或更 大，并且，异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的 长度。
根据本发明的光脉沖压缩器，由于形成色散补偿器的异常色散光 纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度并且孤子阶数为一 或更大，因此可以以使得减少或抑制基座分量的量的方式控制脉冲。
从以下参照附图对示例性实施例的说明，本发明的其它特征将变 得明显。
图l是根据本发明的实施例的光脉冲压缩器的示意图。 图2示出对于N-1、 2和3,经由色散补偿器传播的正啁湫脉冲 的脉冲峰值强度变化。
图3是根据本发明的另一实施例的光脉冲发生器的示意图。 图4示出图3的色散补偿器314的输出脉冲的时间形状。 图5示出图3的第二补偿器317的输出脉冲的时间形状。
具体实施例方式
首先，将表示与压缩器有关的基本参数以及表明它们与实际物理 量的关系式。将参数定义如下。 P0:初始脉沖峰值强度(W) To:初始脉冲宽度(ps)
6卩2: 二阶群速度色散(psVkm ) Y:光纤的非线性系数(W"km") C:啁啾量(ps2)
然后，色散长度LD(km)、非线性长度lnl(km)、归一化孤 子振幅A、和孤子阶数N分别由式(1)到(4)给出
LD = T0，2| (1)
LNL = l/yPG (2) A=(yP0T02/|p2|)1/2 (3)
N-最接近A的整数 (4)
根据本发明的实施例的光脉沖压缩器包含啁嗽单元，具有向输 入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤；和色散补偿器，具有用于补偿由 啁啾单元提供的输入脉冲的正啁啾的异常色散光纤。
将形成色散补偿器的异常色散光纤的非线性系数和二阶群速度色 散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为l或更大。另外，使得异常色
散光纤的长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。结果，实现光脉 沖压缩器。
现在将参照附图"^兌明实施例。
图1示意性地表示根据本发明的实施例的光脉冲压缩器。 输入脉冲"被输入到啁啾单元1并在光谱上变宽，并在那里在整 个脉冲宽度上被正啁啾。该脉沖在穿过啁啾单元之后被发送到色散补 偿器2，在色散补偿器2中它被压缩。
以下将详细说明根据本发明的实施例的光脉冲压缩器的各组件。 用于本实施例中的啁啾单元1包含在输入脉冲的整个波长范围上 表现出正常色散的光纤。可被用作这些光纤的例子包含用于1.3pm或 更小的波长的单模石英光纤、用于从1.3到1.5nm的波长的色散偏移 光纤、和用于1.5)am或更大的波长的氟化物或色散补偿光纤。为了在 光纤内获得正啁啾，光纤需要具有大约Ld或L亂或更大的长度。作为 替代方案，可以使用诸如掺杂铒的光纤(EDF)的具有放大功能的光 纤。在这种情况下，由于正常GDS和SPM之间的分布增益的交互作用，因此在正常色散掺杂稀土的光纤中产生具有线性正啁啾的高强度抛物线脉冲。
本实施例中的色散补偿器2是在已被啁啾单元l执行了正啁啾的脉冲的整个波长带上表现出异常色散的光纤。可用于这种光纤的例子包含在1.3nm或更大的波长的情况下的单模石英光纤和一些低孔隙率(porosity)光子晶体光纤(PCF);以及小于1.3|im的波长的情况下的一些高孔隙率PCF。
在本实施例中，形成色散补偿器2的异常色散光纤的非线性系数y和二阶群速度色散p2被设置为使得被输入到色散补偿器2的啁啾孤子脉冲的阶数N变为l或更大。将N设为l或更大的原因在于，例如当N = 0时不形成下面说明的光孤子。换句话说，由于被输入到光纤的脉冲经受不均衡的因GVD引起的变宽和由于因光纤的异常导致的SPM引起的变短，因此，当N-0时不形成光孤子。
注意，例如通过以下设置获得具有孤子阶数N-l的孤子初始脉冲峰值强度P。-5W,初始脉冲宽度T。-lps， 二阶群速度色散卩2 =-20ps2/km，光纤的非线性系数r3W"knT1。从而，A = 0.866，导致所得的N= 1。
作为例子，图2表示当脉沖被输入到色散补偿器2时正啁啾脉冲的脉冲峰值强度如何在色散补偿器2内变化。
这里，通过输入的啁啾脉冲的峰值功率(peak power)将峰值强度(纵轴)归一化。当孤子阶数N-0 (图中的虛线)时，由于色散补偿器2的异常GVD的影响，因此啁啾脉冲首先被压缩，并且，其峰值强度在传播距离Ldc处达到最大值。
在超过传播距离Ldc时，异常GVD对压缩的脉冲执行负啁啾。由此，脉冲变宽，并且其峰值强度减小并会聚于零。从现实的观点确定对于光纤的非线性系数Y和二阶群速度色散p2所允许的值的范围，并且，可以适当地确定初始脉冲宽度的值范围。考虑这些点，从式(4)可以理解，当N = 0时初始脉冲峰值强度Po不可避免地变小，即，N-0的情况不适用于高强度脉沖压缩器。同样，对于N-1，光纤的异常GVD首先处于主导并且工作以补偿正啁啾，由此压缩脉沖并增加峰值强度。从而，脉冲变宽并且其峰值强度减小。但是，在此后不久，峰值强度重新向着形成孤子增加，并继续随传播距离周期变化，从而导致孤子的形成。这里，开始周期
变化的传播距离Zs被定义为光孤子形成所需要的长度。
注意，在形成光孤子之后的峰值强度的周期变化的中心小于1。这是由于在啁啾脉沖发展成光孤子的过程中脉冲能量的 一部分与主峰值分开。由此分开的脉沖能量的该部分在主峰的基线(base)上以基座的形式传播。光孤子形成所需要的长度zs是具有单峰值的脉冲由于基座的形成变为具有三个或更多个峰值的脉沖的传播距离。为了获得具有很少的基座的高质量脉冲，希望使得形成色散补偿器2的异常光纤的长度等于或更希望地小于光孤子形成所需要的长度zs。
由于对于较小的扰动光孤子一般是稳定的，因此当被输入到色散补偿器2的啁啾脉沖具有大的啁啾量C时，不形成光孤子。在这种情况下，啁啾脉沖不能维持具有单一峰值的脉沖形状，由此使得压缩困难。由此，被输入到色散补偿器2的啁啾脉冲的啁啾参数C需要比临
界值Cer小。依赖于N的啁啾参数的临界值Cer具有根据N增加的趋势。
图2表示允许没有基座的最大压缩因子的色散补偿器2的光纤长
度与峰值强度变得局部最大的最小可能传播距离Z。pt对应。由光纤的
GVD和SPM之间的平衡确定的色散补偿器2的该最佳光纤长度z。pt是比对于N = 0的图中的最佳长度Ldc短并且与峰值强度变得局部最大的传播距离对应的长度。这里，通过使用啁啾量C和二阶群速度色散P2由下式给出L dc。
Ldc = -C/p2 (5)
注意，实际上可从由式(5)给出的Ldc使用截短(cutback)技术来获得
由此，如上所述，通过使得色散补偿器2的光纤长度为比N = 0
处的最佳长度Lde短并使得峰值强度变得局部最大的长度，确定由于
9SPM缩短的最佳光纤长度。因此，可实现避免产生基座的最大可能压 缩因子。
对于N>1的色散补偿器2内的脉冲的行为是复杂的，但在初始 阶段与N-1的情况类似。图2表示随N增加，最佳光纤长度缩短并 且相应的峰值强度增加。这是由于通过因色散补偿器2中的SMP的 影响引起的光镨变宽进一步增强了压缩效果。适用于本发明的孤子阶 数N可以为N-1，并且，另外，N-2、 3或更大。鉴于产生诱导的 拉曼散射的阈值，孤子阶数的上限为例如150或更小，并且期望地为 IO或更小。
色散补偿器可由单一异常色散光纤形成，或者，可在没有任何限 制的情况下由不同种类的异常色散光纤形成，只要它们总体用作本发 明的实施例中的色散补偿器。
并且，还可通过组合上述的光脉沖压缩器和光脉沖源实现光脉冲 发生器。在这种情况下，可以在抑制基座的同时压缩来自例如飞秒激 光源的输出脉冲，从而允许产生具有很少的基座的超短脉冲。
图3示意地表示根据本发明的另一实施例的光脉冲发生器。
为了简单起见，在图3中没有表示诸如透镜的耦合部分。参照该 图，本实施例的光脉沖发生器包含具有啁啾单元321和色散补偿器314 的第一压缩器以及具有高度非线性光纤(HNLF) 317的第二压缩器。 换句话说，从飞秒脉冲发生器301输出的短光脉冲在两个级中被压缩。 注意，在本发明的实施例中根据需要设置第二压缩器。
飞秒脉冲发生器301是在48MHz的频率下周期产生具有约 1560nm的中心波长和约300fs的脉冲宽度的短光脉冲的铒光纤激光 器。平均功率为约5mW。为了后面的压缩过程中的有效压缩，期望飞 秒脉冲发生器301的脉冲在时域中具有包含单一峰值的双曲线正割 (双曲正割sech)形状，并具有接近傅立叶变换极限的质量。通过使 用入/2波长板302的偏振调整将从飞秒脉冲发生器301输出的初始脉 冲输入到啁嗽单元321。
啁嗽单元321包含预啁嗽单模光纤303和EDF 304。在本实施例中，与正常GVD和SPM —起使用EDF 304允许产生容易在后面被色 散补偿器314补偿的线性的正啁啾抛物线脉冲。由于异常GVD的影 响，因此输入脉冲在预啁啾单模光纤303内延长。由此，脉沖峰值强 度被暂时限制，并且EDF304内的过量的非线性效果受到控制，从而 导致有效的放大。预啁啾单模光纤303的长度需要被仔细确定以实现 EDF 304的理想操作。例如，具有约4.5m的长度的预啁啾单模光纤 303被期望是合适的。
在预啁啾单模光纤303内在时间上被延长的脉冲被输入具有6m 的长度的EDF 304。该脉冲^J至由调整偏振的偏振控制器311输入到 EDF 304。在图3的配置中，EDF 304被经由波分复用(WDM)耦合 器309到310以及偏振光束组合器308连接的三个半导体激光器305 到307激励。半导体激光器305到307的波长和强度分别为1480nm 和400mV。
根据本实施例，在图3中的啁啾单元321的输出处期望在整个脉 沖上具有大致线性的正啁啾的760fs宽的啁啾脉沖。在这种情况下， 啁嗽量C为0.014ps2。
由于色散补偿器314中的异常GVD的影响，因此来自啁啾单元 321的啁嗽l^沖;故压缩。
在本实施例中，4吏用大才莫面积光子晶体光纤(large-mode-area photonic crystal fiber, LMA-PCF )作为色散补偿器314。尽管 LMA-PCF具有26|^n大的模场(mode-field)直径，但它是允许单模 传播的光纤。由此，减少不利于色散补偿的高阶非线性效果的影响。 这里，二阶群速度色散P2和非线性系数Y分别为-30.3psVkm和 0.182W"knT1。期望色散补偿器314的非线性系数y为0.5W"km"或更
小。通过使得非线性系数Y小，高阶非线性的不利效果减小，由此可以 防止不利的频率偏移和脉冲的崩塌(collapse)。
在本实施例中，由于在啁啾单元321的输出端处的WDM耦合器 的光纤和LMA-PCF之间存在大的模场直径差异，因此，通过隔离器 313，啁啾脉冲被输入到作为色散补偿器314的LMA-PCF。通过经由隔离器313执行输入，可以防止由于模式失配引起反射光不利地反向 流入EDF304中。在本实施例中，隔离器313的输出处的啁啾脉冲浮皮 期望具有390mW的脉冲强度。
如式(4)给出的，被输入到色散补偿器314的啁啾脉沖的孤子阶 数N为5。根据式(5)，假定N-O，那么最佳光纤长度Lae被计算 为46cm。由此，通过使用从Lde的初始光纤长度开始的截短方法， LMA-PCF的最佳长度z。pt被计算为约42cm。注意，图3中的标号312 表示反射镜。
图4表示本实施例的色散补偿器314的输出处的脉冲的时间形状。 如图所示，通过本实施例，可期望具有很少的基座并具有55fs的脉冲 宽度和280mW的脉冲强度的脉冲。
图4的脉沖通过穿过由高度非线性光纤(HNLF ) 317形成的第二 压缩器被进一步压缩。输入到HNLF 317的脉冲通过 i/2波长板315 和偏振光束分离器316被线性偏振。图5表示通过具有1.5cm长度的 HNLF 317再压缩之后的脉冲形状。通过二级配置，可以产生具有很 少的基座的脉冲宽度17fs的所得超短脉冲。因此，可通过使用第一和 第二压缩器实现更高的压缩因子。
日本专利No. 2711778说明了由正常色散光纤和异常色散光纤形 成的啁啾补偿压缩器。可以说，由于输入脉冲的强度衰减到使得抑制 色散补偿器中的SPM的水平，因此该压缩器具有孤子阶数N-O。
由于在这种情况下色散补偿器中的SPM是可忽略不计的，因此 可容易地通过使用具有从式(5)计算的最佳长度Ldc的异常光纤实现 脉冲压缩。但是，由光纤形成的色散补偿器的非线性系数y是有限的， 并且二阶群速度色散P2也具有上限。由此，当输入脉冲具有高强度(例 如，10kw或更高的峰值强度)时，难以在不使脉冲强度衰减的情况下 维持孤子阶数N-O。因此，在日本专利No. 2711778中说明的技术不 适用于用于高强度脉冲的压缩器。
即使当日本专利No. 2711778中的啁湫补偿器被用于上述论文 (Applied Phys. Lett" vol. 48, pp. 1034-1035 ( 1986 ))的二级压缩器，第一级中的啁啾补偿压缩器也限制脉冲强度。出于该原因，第二级中
的高阶孤子压缩器将不具有有效的压缩，即，总体上没有获得足够大 的压缩因子。
如上所述，根据本实施例的光脉冲发生器可产生具有很少的基座 的高强度超短脉冲。主要通过利用在第 一级压缩器中形成孤子的过程
中GVD处于主导的状态，使得这一点变为可能。这允许在一直抑制 基座的同时进行多级压缩，从而导致形成使用有利的全光纤系统的具 有等于或小于20fs的宽度的超短脉冲。
根据本发明的光脉沖压缩器可被应用于用于产生太赫兹脉冲的光源。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限 于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释， 以包含所有的这些修改以及等同的结构和功能。
1权利要求
1. 一种光脉冲压缩器，包括啁啾单元，包含向输入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤；和色散补偿器，包含补偿从啁啾单元向输入脉冲提供的正啁啾的异常光纤，其中，形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大，并且，其中，异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。
2. 根据权利要求1的光脉沖压缩器，其中，对于孤子阶数0，形成色散补偿器的异常光纤的光纤长度短于使得色散补偿器内的脉沖的峰值强度变得局部最大的光纤长度，并且，其中，形成色散补偿器的异常光纤的光纤长度被设置为使得从色散补偿器输出的脉冲的峰值强度变得局部最大。
3. 根据权利要求l的光脉冲压缩器，其中，形成色散补偿器的正常色散光纤为掺杂稀土的光纤。
4. 根据权利要求l的光脉冲压缩器，其中，啁啾单元和色散补偿器被设置为第一压缩器，并且，光脉冲压缩器具有由异常光纤形成的第二压缩器。
5. 根据权利要求1的光脉冲压缩器，其中，光脉沖压缩器不包括衍射光栅。
6. 根据权利要求l的光脉沖压缩器，其中，色散补偿器不包括衍射光栅。
7. —种被配置为包含光脉冲源和根据权利要求1的光脉冲压缩器的光脉冲发生装置。
8. —种光脉冲压缩方法，包括以下步骤通过使输入脉冲穿过包含正常色散光纤的啁啾单元，向输入脉冲提供正啁啾；并且通过使输入脉冲穿过包含异常光纤的色散补偿器，补偿在提供步骤中提供的正啁啾，其中，提供和补偿步骤不包括使输入脉冲穿过衍射光栅，并且， 其中，异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。
9.根据权利要求8所述的光脉冲压缩方法， 其中，在补偿步骤中，形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数 和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大。
全文摘要
本发明提供一种光脉冲压缩器，具有包含向输入脉冲提供正啁啾的正常色散光纤的啁啾单元，并具有包含异常光纤的色散补偿器。形成色散补偿器的异常光纤的非线性系数和二阶群速度色散的绝对值被设置为使得孤子阶数变为一或更大，并且，使得异常色散光纤的光纤长度等于或小于光孤子形成所需要的长度。
文档编号H04B10/17GK101499856SQ20091000970
公开日2009年8月5日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年1月29日
发明者古泽健太郎, 尾内敏彦, 片桐崇史 申请人:佳能株式会社