一种超宽带类噪声脉冲产生及功率放大系统和方法

本发明涉及超快光纤激光，特别涉及一种超宽带类噪声脉冲产生及功率放大系统和方法。

背景技术：

1、类噪声脉冲（noise-like pulse，nlp）是超快光纤激光器中的一种特殊脉冲形态，其宏观上表现为按照固定重复频率输出的脉冲包络，脉冲包络内部包含大量脉宽处于飞秒至皮秒量级、幅度和相位随机变化的超短子脉冲。与常规孤子、耗散孤子等脉冲形态相比，类噪声脉冲的强度自相关曲线通常呈现窄相干尖峰叠加于宽时间基底的双时间尺度结构。由于类噪声脉冲内部的多个超短子脉冲能够在增益、色散和非线性作用下持续演化，类噪声脉冲具有较高脉冲能量和较宽光谱，在超连续谱产生、宽带光谱、成像及非线性频率转换等领域具有应用价值。

2、现有类噪声脉冲技术主要包括两类技术路线，一类是在锁模振荡器中通过增加非线性相位积累直接形成宽光谱类噪声脉冲，另一类是将类噪声脉冲作为种子输入光纤放大器，在提高平均功率和单脉冲能量的同时，通过放大器中的增益、色散及非线性作用保持或进一步展宽输出光谱。现有技术已经在约1.0微米、1.55微米和2.0微米等波段分别实现了超宽带类噪声脉冲产生、类噪声脉冲功率放大或者二者的结合，表明通过振荡器和后级放大器的配合能够进一步拓展类噪声脉冲的输出功率和光谱范围。

3、然而，1.4微米波段位于常用掺镱和掺铒石英光纤的主要增益波段之间，可用于该波段类噪声脉冲产生和放大的增益光纤及配套光纤器件相对较少，增益不足、基态再吸收、器件插入损耗以及长有源光纤中的色散和非线性累积等因素相互影响，使1.4微米类噪声脉冲的稳定产生、功率提升和宽光谱形成难以兼顾。尤其是在后级功率放大过程中，增加有源光纤长度虽然有利于提高泵浦吸收和增益，但同时会增加信号再吸收、传输损耗以及色散和非线性累积；提高泵浦功率又可能引起增益饱和及脉冲状态变化。

4、现有1.4微米锁模光纤激光技术已经能够采用铋掺杂锗硅酸盐光纤和非线性放大环形镜产生类噪声脉冲，但相关方案主要集中于振荡器输出，尚未形成与该类噪声脉冲振荡器相匹配的独立同波段功率放大链路。由此，振荡器输出的类噪声脉冲在进入后级放大后，如何在提高输出功率的同时继续进行光谱展宽，仍缺少相应的一体化实现方式。

5、此外，类噪声脉冲的超宽带光谱形成通常需要足够的非线性相位积累，而功率放大过程中又需要对增益、色散及非线性传播进行协调。非线性作用不足时，放大后的光谱展宽有限；非线性和色散累积过强时，又可能引起脉冲内部随机子脉冲之间的时域和相位相关性发生较大变化，使类噪声脉冲原有的双时间尺度结构及重复特性受到影响。因此，仅提高输出功率或者仅获得宽光谱，均不能完整解决1.4微米类噪声脉冲产生及功率放大中的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中在1.4微米波段难以同时实现类噪声脉冲的稳定产生、有效功率提升和超宽带光谱形成，并在功率放大和光谱展宽过程中保持类噪声脉冲双时间尺度强度自相关结构及重复特性的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种超宽带类噪声脉冲产生及功率放大系统，包括：

3、沿信号传输方向依次设置的类噪声脉冲振荡器、级间光隔离器和单级光纤功率放大器；

4、所述类噪声脉冲振荡器包括第一泵浦源、第一增益光纤、非线性放大环形镜和输出耦合器，所述第一泵浦源向所述第一增益光纤提供泵浦光，所述第一增益光纤设置于所述非线性放大环形镜中，所述非线性放大环形镜基于所述第一增益光纤中的非线性传播形成强度相关透射，产生位于1.4微米波段的类噪声脉冲种子，所述输出耦合器将部分所述类噪声脉冲种子经所述级间光隔离器输出至所述单级光纤功率放大器；

5、所述单级光纤功率放大器包括第二泵浦源、第二增益光纤和输出光隔离器，所述第二泵浦源向所述第二增益光纤提供泵浦光，所述级间光隔离器输出的所述类噪声脉冲种子输入所述第二增益光纤，所述第二增益光纤对所述类噪声脉冲种子进行增益放大，并基于所述类噪声脉冲种子在所述第二增益光纤中的非线性传播对所述类噪声脉冲种子进行光谱展宽，得到中心波长位于1.4微米波段的超宽带类噪声脉冲，所述输出光隔离器输出所述超宽带类噪声脉冲；

6、其中，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤均为低锗铋掺杂锗硅酸盐光纤。

7、在本发明的一个实施例中，所述非线性放大环形镜包括第一波分复用器、所述第一增益光纤、偏振控制器和光纤耦合器，所述第一波分复用器、所述第一增益光纤和所述偏振控制器连接形成非线性环路，所述非线性环路与所述光纤耦合器连接；

8、所述类噪声脉冲振荡器还包括偏振无关光隔离器，所述光纤耦合器、所述偏振无关光隔离器和所述输出耦合器连接形成主腔；

9、所述光纤耦合器将进入所述非线性环路的光场分为沿相反方向传播且光强不同的第一光场和第二光场，所述第一光场和所述第二光场在自相位调制和交叉相位调制作用下产生不同的非线性相移，并在所述光纤耦合器处耦合干涉形成所述强度相关透射。

10、在本发明的一个实施例中，所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器，所述2×2光纤耦合器的分光比为20:80；

11、所述输出耦合器的分光比为70:30，所述输出耦合器的30%输出端与所述级间光隔离器连接，所述输出耦合器的70%输出端与所述光纤耦合器连接。

12、在本发明的一个实施例中，所述第一泵浦源为中心波长为1310纳米的保偏激光二极管，所述第一波分复用器为1310/1450纳米波分复用器。

13、在本发明的一个实施例中，所述单级光纤功率放大器还包括第二波分复用器，所述级间光隔离器的输出端和所述第二泵浦源的输出端分别与所述第二波分复用器连接，所述第二波分复用器的输出端与所述第二增益光纤连接。

14、在本发明的一个实施例中，所述第二泵浦源为中心波长为1310纳米的保偏激光二极管，所述第二波分复用器为1310/1450纳米波分复用器，所述第二增益光纤的长度为150米；

15、所述第二波分复用器、所述第二增益光纤和所述输出光隔离器沿所述类噪声脉冲种子的传输方向依次连接。

16、在本发明的一个实施例中，所述第二增益光纤利用宽带增益对所述类噪声脉冲种子进行增益放大，并利用所述类噪声脉冲种子在所述第二增益光纤中传播产生的自相位调制与所述第二增益光纤的光纤色散的共同作用，对所述类噪声脉冲种子进行光谱展宽。

17、在本发明的一个实施例中，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤相互独立，且采用相同的材料组成和铋掺杂体系，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤均具有1.4至1.5微米波段的增益特性。

18、在本发明的一个实施例中，所述类噪声脉冲种子的强度自相关曲线呈现窄相干尖峰叠加于宽时间基底的双时间尺度结构；

19、所述超宽带类噪声脉冲的强度自相关曲线呈现窄相干尖峰叠加于宽时间基底的双时间尺度结构，所述超宽带类噪声脉冲的重复频率与所述类噪声脉冲种子的重复频率相同。

20、基于同一发明构思，本发明还提供了一种超宽带类噪声脉冲产生及功率放大方法，包括：

21、利用包含第一增益光纤的非线性放大环形镜产生位于1.4微米波段的类噪声脉冲种子；

22、对所述类噪声脉冲种子进行级间光隔离，将级间光隔离后的所述类噪声脉冲种子输入第二增益光纤；

23、利用所述第二增益光纤对所述类噪声脉冲种子进行增益放大，并基于所述类噪声脉冲种子在所述第二增益光纤中的非线性传播对所述类噪声脉冲种子进行光谱展宽，得到中心波长位于1.4微米波段的超宽带类噪声脉冲；

24、其中，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤均为低锗铋掺杂锗硅酸盐光纤。

25、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

26、本发明在1.4微米波段构建类噪声脉冲振荡与单级光纤功率放大的连续传输链路，并在振荡级和放大级中采用相同材料组成和铋掺杂体系的低锗铋掺杂锗硅酸盐光纤，使类噪声脉冲的产生、功率提升和光谱展宽能够在相匹配的增益光纤平台上实现；利用非线性放大环形镜产生1.4微米类噪声脉冲种子，并通过级间光隔离后输入单级光纤功率放大器，有利于降低后级反射光对前级振荡状态的影响。

27、本发明同时完成类噪声脉冲种子的增益放大和非线性光谱展宽，无需额外设置专用光谱展宽单元，有利于简化系统结构。放大后的输出仍能够保持类噪声脉冲对应的双时间尺度强度自相关结构及重复特性，从而兼顾功率提升、超宽带光谱形成和类噪声脉冲状态保持。