本发明大体上涉及用于改进的超连续谱产生(SCG)的系统、方法和结构。
背景技术
超连续谱产生为一种将激光转换为具有宽光谱带宽，即低时间相干性和超宽连续光谱的光的过程，其引起了人们极大的兴趣，因为这种超连续谱源可用于目前的多种重要应用中，如医疗诊断、环境检测/分析、光检测和测距(LiDAR)、以及例如通过频率梳的光通信等。
考虑到超连续谱产生对这些应用的实用性、重要性和必要性，用于改进的超连续谱产生的系统、方法和结构发展成为一个受欢迎的技术。
技术实现要素：
相对于现有技术，根据本发明方面的用于改进的超连续谱产生的系统、方法和结构取得了进步，其在非线性产生期间、之前或之后有利且重复地重塑脉冲，使得脉冲能保持理想的时间形状以用于增强的光谱产生。
有利地，通过使用本发明的系统、方法和结构，SCG的光谱带宽远大于本领域中现有技术所能实现的光谱带宽，同时还可保持产生时的相干性。
与现有技术不同的是，本发明不是沿传播长度保持空间均匀或锥形波导色散。根据本发明方面的系统、方法和结构通过改变(交替)正常色散波导段和反常色散波导段，从而交替一段波导的色散。
通过设置具有适当长度分布的由这种交替段组成的链，根据本发明的系统、方法和结构可有利地施加交替的时间聚焦和散焦，从而避免孤子形成、光谱变窄以及峰值强度损失，同时自相位调制增加了光谱带宽，而不会产生不期望的光谱钳制。
附图说明
参考附图以更全面地理解本发明，其中：
图1(A)示出了根据本发明方面的，在通用波导(例如，集成或光纤波导)中的超连续谱产生的示意图，其中该通用波导具有由正常色散(ND)段和反常色散(AD)段交替形成的链。
图1(B)示出了能量密度谱的展宽与通过由AD段和ND段形成的链进行传播的关系图，通过根据本发明方面的当仅存在一阶和二阶色散时，针对变换限制高斯输入脉冲的示例计算得到。
图1(C)示出了图1(B)中的示例脉冲的时间形状，通过根据本发明方面的考虑二阶色散时，在行进坐标系与传播坐标系中计算得到。
图2(A)示出了沿ND SCG链传播方向的各个ND段中的光谱展开，与不存在色散但存在非线性的仅有ND波导的等效长度情况中的光谱展开，以及与具有色散和非线性的仅有连续长度的ND材料的等效长度情况中的光谱展开的对比图。需要注意的是，根据本发明方面的，认为所选择的色散在阶跃折射率光纤的标准范围内，因此是不可忽略的。
图2(B)为根据本发明方面的，后续ND段之间的带宽增加率的下界计算的示意图。
图2(C)示出了各个ND段结束处的带宽增加率(相对于前一段)的示意图，其中示出了根据本发明方面的下界计算，以及在各个渐进ND段的起始处的非线性与色散长度之比。
图3示出了根据本发明方面的，用于超连续谱产生的实验设置的示意图。
图4示出了二阶色散与实验用的AD和ND光纤段的波长的关系图，其中垂直虚线表示根据本发明方面的AD段的零色散波长(1.31μm)和ND段的零色散波长(1.83μm)。
图5示出了从分段链光纤波导中的超连续谱产生中获得的测量功率谱的示意图，其中，根据本发明方面的，显示了使用相同长度的正常色散(ND)光纤、反常色散(AD)光纤和相同的脉冲输入参数获得的测量光谱，以及数值模拟值，以用于对比。
图6(A)示出了根据本发明方面的，相对光谱能量密度(dB)与在链中各个ND段后测量到的输出光谱的波长(μm)的关系图。
图6(B)示出了相对脉冲强度(颜色编码)和时间形状(Fs)与传播距离(cm)，以及与时间(fs)的关系图，其中根据本发明方面的，时间坐标是在以群速度移动的帧中获得。
图7(A)——图7(E)为根据本发明方面的，提供光脉冲的SCG的说明性波导配置的示意图，可在采用现代工艺和材料的集成波导结构中有利地和说明性地实现，其中：图7(A)是第一种情况的说明性配置；图7(B)是第二种情况的说明性配置；图7(C)为第三种情况说明性配置；图7(D)显示了波导结构的说明性参数；示出了根据本发明方面的，相对光谱能量密度(dB)与在链中各个ND段后测量到的输出光谱的波长(μm)的关系图；以及图7(E)示出了说明性波导的横截面图——均根据本发明方面。
通过附图和具体实施方式更全面地描述了说明性实施例。然而，根据本发明的实施例可以以不同形式体现，且不限于附图和具体实施方式中描述的特定或说明性实施例。
具体实施方式
以下仅说明本发明的原理。可以理解的是，本领域技术人员能够设计出尽管在本文中没有明确地描述或示出，但是体现了本发明原理且被包含在本发明的精神和范围内的各种设置。
此外，本文中引用的所有示例和条件语言仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和发明人为推动本领域进步所贡献的概念，且应被解释为不限于这些具体引用的示例和条件。
此外，本文中叙述本发明原理、方面和实施例及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等效物。此外，此类等效物旨在包括当前已知的等效物以及将来开发的等效物，即，无论结构如何，所开发的执行相同功能的任何元件。
因此，例如，本领域技术人员将理解，本文中的任何框图仅表示体现本发明原理的说明性电路的概念视图。
除非本文另有明确规定，否则包括附图的图未按比例绘制。
正如本领域技术人员在理解本文的公开内容后将会理解的那样，本文提出了一种超连续谱产生的新方法，该方法改变了沿波导长度的色散的符号以及可能的形状和强度。本文通过在标准阶跃折射率光纤中展示明显的带宽增强来演示本文的技术，该光纤包括由配置为色散在正常和反常之间重复交替的光纤段组成的链。正如本文所公开的，根据本发明，用于超连续谱产生的系统、方法和结构特别适用于集成光学超连续谱产生以及由这种进步产生的大量应用。
本文首先提到波导中的超连续谱产生(SCG)是非线性光学中最有趣的现象之一，因为其具有将宽光谱带宽与高相干性和功率效率结合的独特潜力。令人感兴趣和有利的是，取决于特定的光学材料、波导色散和所采用的泵浦激光波长，输出的光谱可能集中在中红外到紫外区域。
当代的SCG涉及光纤中的单程非线性转换，通常提供负(异常)群速度色散，也可能提供正(正常)群速度色散。近来，在集成光波导中也产生了SC。在某些谐振系统中，相同的潜在现象构成了宽带频率梳产生(克尔梳产生)的基础。在上述各种情况中，当在微波光子学、传感和精密计量等应用中使用时，需要实现具有大带宽和高相干性的输出。
然而，本领域技术人员可以理解的是，虽然SCG中的光谱带宽在实现高转换效率的同时，还可在特定情况下高达数百THz，但最终带宽仍然是被钳制的；也就是说，带宽不可能超过一定范围而没有明显的相干性损失。在采用宽带SCG中的常用技术反常色散时，此过程的初始阶段会受益于色散脉冲压缩(时间聚焦)，但光谱钳制是后续孤子形成所固有的。
除此之外，已知的是，通过拉曼相互作用、四波混频和色散波(DW)产生，可以实现进一步的展宽。但不幸的是，这些过程要么产生窄带辐射(DW)，要么容易受例如真空波动、调制不稳定性或随机孤子裂变等的影响导致相干性变低。虽然在SCG中采用正常色散时不会形成孤子，但光谱钳制仍是固有的。这是因为泵浦脉冲在时间上被拉长(散焦)，以及随着传播长度的增加而失去其峰值强度。
交替色散超连续谱产生
本文公开并描述了一种用于增加SCG的光谱带宽的新方法，其在保持产生中的相干性的同时还远超出了提到的限制。
与通常沿传播长度保持空间均匀或锥形波导色散的现有技术不同，如图1(A)所示，通过改变正常色散波导段(ND段)和反常色散波导段(AD段)来交替色散，从而实现根据本发明方面的SCG。
更具体地，图1(A)示出了根据本发明方面的，在通用波导(例如，集成或光纤波导)中的超连续谱产生的示意图，其中该通用波导具有由正常色散(ND)段和反常色散(AD)段交替形成的链。需要注意的是，虽然此图中示出了ND段开始于AD段之前，但本发明不限制于此，并且随后会进行更详细地公开和讨论。
图1(B)示出了能量密度谱的展宽与通过由AD段和ND段形成的链进行传播的关系图，通过根据本发明方面的当仅存在一阶和二阶色散时，针对变换限制高斯输入脉冲的示例计算得到。
图1(C)示出了图1(B)中的示例脉冲的时间形状，通过根据本发明方面的考虑二阶色散时，在行进坐标系与传播坐标系中计算得到。
现参考图1(A)，如前所述，其示出了根据本发明方面的波导结构的示意图。从图中可看出，由波导段组成的“链”被配置为正常色散(ND)段和反常色散(AD)段沿整个波导长度交替着前进。在所示的说明性配置中，SPM光谱展宽主要发生在ND段中。
本文中所使用的波导是通过限制扩展到选定维度，以最小的能量损失引导波的任意结构，例如引导电磁波。本发明尤为关注的是在电磁波谱的光学部分中引导电磁波的光波导。这种光波导包括光纤，以及矩形和非矩形(即集成的)的波导，它们被构造为空间不均匀的，从而限制了光在其内传播的空间区域。如本领域技术人员所知，这种光波导包括与周围区域折射率不同的区域。
进一步地，参照附图，说明性地示出了将ND段作为由段组成的链中的第一段。本领域技术人员理解的是，第一段的特性可以是ND也可以是AD，只要沿波导结构的长度保持特性交替即可。正如下文进一步描述的，哪个特定段提供聚焦以及哪个特定段提供散焦是根据本发明方面的设计选择和配置问题。
本文将展示和描述，根据本发明的采用电介质波导或更具体地采用平面光波导的系统、方法和结构可被有利地应用。这种平面波导结构得益于持续快速发展的硅波导加工技术、工艺和材料。
再次参考图1(A)，选择具有适当长度分布的由交替段组成的链，以施加交替的时间聚焦和散焦，有利地避免了孤子形成以及峰值强度损失，同时在不产生光谱钳制的基础上增加了光谱带宽的自相位调制。
为说明性地展示本方法，示出了根据本发明方面配置的在色散分段光纤链中SC产生的带宽增强。需要注意的是，这种展示仅是说明性的，而非限制性的。
本领域技术人员容易理解的是，SCG对本方法重要的效应包括自相位调制(SPM)、色散、以及由这两种效应相互作用产生的动态。通过强度相关的克尔效应，SPM在取决于峰值强度、脉冲持续时间和传播距离的谱域中产生相干展宽。为了通过SPM最大化光谱展宽，需最小化脉冲持续时间，以及最大化峰值强度。但是，在存在AD的情况下，由于时间分布可将自身塑形成孤子脉冲，SPM的时间啁啾贡献与色散的时间啁啾贡献相平衡。这样，即使该脉冲的持续时间最短(即，变换限制)，也会阻止进一步的光谱展宽。进一步注意，对于AD波导中的光脉冲，如果没有因脉冲能量不足而产生孤子，那么首先压缩该脉冲，然后以反向时间啁啾对其进行拉伸，从而产生与正常色散情况一样的光谱钳制。
有利地，利用根据本发明方面的方法，通过沿传播方向交替ND和AD波导段来防止这种“光谱—时间停滞”的反复发生。进一步有利地，根据本发明方面的超连续谱产生可在较低的功率下进行，特别地，可在比孤子产生所需功率更低的功率下进行。因此，如本领域技术人员容易理解的，根据本发明的超连续谱产生系统、方法和结构可应用在如现有技术所教导和公开的传统超连续谱产生设置中无法使用的情况下。
在操作上，在AD部分中进行时间压缩以增加(最大化)峰值强度，并减少(最小化)脉冲持续时间，以便始终针对该段和/或后续ND段来优化SPM光谱展宽。但是在孤子形成之前，利用ND段来反转色散，使得相干SPM光谱展宽可以继续进行，不会因孤子形成或时间分布加宽而终止。
根据所采用的特定光学材料和几何形状，通过SPM的光谱展宽主要发生在ND段、AD段或两者中，这取决于特定的配置。为了对此概念作基本说明，本文只讨论第一种情况，在这种情况中，AD段仅用于将光脉冲时间压缩到在理想情况下非线性贡献可忽略不计的变换极限。SPM光谱展宽可实现最大化且仅在ND段中进行。本文将这种结构标记为ND SCG链。当然，说明绝不是限制性的，任何上述情况/场景都应考虑且包含在本发明的范围内。
选择此情况作为说明性示例的另一个原因是，相较于其他情况，此情况具有光谱相干性优势(在AD段中出现强SPM)。这是因为ND SCG中不存在调制不稳定性(MI)，其通过MI抑制噪声增长。
继续本文的说明性讨论，假设第一个ND段的输入为变换限制高斯脉冲，由于这种脉冲的持续时间最短，因而可最大化SPM光谱展宽。当光谱展宽发生时，加速脉冲的时间散焦的速率，这样，可最终使得在时间上被拉伸的脉冲具有更长的持续时间以及更低的峰值强度，从而抑制SPM。在脉冲通过分段波导传播进入AD段中后，其在时间上重新聚焦到理想情况下的变换极限。
在时间上，相对于在时间上展宽的情况，该脉冲此时可最大化SPM并在下一个ND段中展宽。因此，一旦在该AD段中达到最强的时间聚焦点，就重复循环地采用下一个ND段用于SPM光谱展宽，然后再采用下一个AD段用于时间重新聚焦，依此类推。这样，光谱展宽可朝着所需带宽逐步增加，同时通过损失峰值强度的和增加脉冲持续时间来规避光谱钳制。另一种情况(SPM在AD部分中不可忽略)的动态非常相似，稍后会对其进行详细描述。
ND SCG情况的量化
为了对段长度满足在ND SCG链中诱导动力学的条件进行量化，本文回顾描述非线性和群速度色散的基本关系。理想情况下，对于ND段中的大SPM光谱展宽，非线性长度Lnl(ND)须小于色散长度LD(ND)，其中，这里to是在ND(或AD)段处输入的变换极限脉冲持续时间(e-1强度)，Po是输入峰值功率，γ是波导非线性系数，以及β2(ND)是ND段中的群速度色散。对于AD段，γ(ND)→0，最小化AD段中的带宽增加。
本领域技术人员可以理解的是，从上述关系可看出，随变换极限脉冲持续时间的减小(即，随光谱宽度的增加)，色散长度呈二次方减小，而非线性长度呈线性减小。因此，在许多ND段的限制下，当光谱显着展宽时，Lnl(ND)变得总是大于或等于LD(ND)。即便如此，通过数值和本文实验结果表明，当Lnl(ND)大于或等于LD(ND)时，显着的光谱展宽仍在发生。
需要注意的是，虽然这些长度适用于仅具有二阶色散的高斯输入脉冲的理想情况，但对于推导优化具有根据本发明方面的交替色散的分段波导链中的SCG过程所需的相关表达式至关重要。
例如，在ND SCG链的各个ND段中获得的最小光谱带宽增加可以使用上述特性长度关系推导出，且可证明其呈指数增加。这个结果很重要，根据本发明方面的SCG方法不仅避免了色散介质中的光谱钳制，还可使得光谱带宽呈指数增长，这意味着为了实现大的光谱增强，这种链不需要由许多段组成，并且证明了相对于传统方法而言，这种链是产生SCG的有力解决方案。
为了进一步阐明上述内容，本文注意到包含在e-1光谱强度值(Δω)之间的光谱带宽在各个ND段中相对于链中的前一个ND段至少增加了一个的因子。例如，其中，N是进一步提供的的ND段号，且ND段长度(LND)满足LND≥2Lnl(ND)。在图1(B)中，通过这种链的示例数值结果示出了这种带宽增加。
一般地，只要Lnl(ND)<LD(ND)，本文计算得到的各个ND段中光谱带宽比的下界从当Lnl(ND)→0时的2.8到当Lnl(ND)＝0.8LD(ND)时的1.1(假设LND≥2Lnl(ND))。
图2(B)示出了此范围内的下界比。因此，在此范围内，Lnl(ND)≤0.8LD(ND)，ΔωN>1.1NΔω0且是指数函数的下界。
实际上，它的性能优于在没有色散的这种理想但物理上无法实现的情况下的光谱产生，其中带宽增长会随着传播收敛为线性增长，并且有足够数量的ND段。物理上更相关的均匀色散的情况在超过某个长度LND时饱和到恒定带宽(该长度被标记为Lsat(ND))，因此，根据本发明的方法实质上始终优于这种情况。实际上，如果ND段长度选择为等于或大于Lsat(ND)，根据本发明的方法的性能优于第一个ND段内均匀色散的情况。
图2(A)示出了根据本发明的方法与使用实验相关参数的示例计算中的这两种情况的比较图。更具体地，图2(A)示出了沿ND SCG链传播方向的各个ND段中的光谱展开，与不存在色散但存在非线性的仅有ND波导的等效长度情况中的光谱展开，以及与具有色散和非线性的仅有连续长度的ND材料的等效长度情况中的光谱展开的对比图。需要注意的是，根据本发明方面，认为所选择的色散在阶跃折射率光纤的标准范围内，因此是不可忽略的。需要注意的是，根据本发明方面，认为所选择的色散在阶跃折射率光纤的标准范围内，因此是不可忽略的。
图2(C)以图形方式示出了此示例计算与下界光谱之比估计的比较。更具体地，图2(C)示出了各个ND段结束处的带宽增加率(相对于前一段)的示意图，其中示出了根据本发明方面的下界计算，以及在各个渐进ND段的起始处的非线性与色散长度之比。
本文注意到，这个下界估计不仅可用于示出光谱带宽增加大于某个感兴趣域内的指数函数，还可用作设计这些链的工具以获得确保一定的带宽增加动态(因此，一定的终端带宽)所需的非线性长度。然而，估计本身是严格的，且当Lnl(ND)>0.8LD(ND)时，其小于1(例如，如图2(B)所示)。虽然在下界的意义上其是正确的，但在物理上毫无意义，因为在ND SCG链的情况下，光谱应该总是增加的。当Lnl(ND)≥LD(ND)时，尽管在整个域中不受一个指数函数的限制，但预计光谱仍会增加。这在图2(C)的示例情况中示出。实际上，如图2(A)和图2(C)所示，交替波导结构克服了当Lnl(ND)≥LD(ND)时，在后续ND链段中没有色散而只有SPM的情况。这将在本发明的后续部分通过实验证明。
为了更准确地描述上述内容，图2(C)示出了链中后续ND段的带宽比仍然明显高于下界估计，并且即使当Lnl(ND)＞＞LD(ND)时，也高于1.4。此外，即使当Lnl(ND)≈7LD(ND)时，该比率也大于1.1。同样，在满足Lnl(ND)>LD(ND)的ND段号之后，该链的性能优于无色散的情况(如图2(A)所示)。该数值示例表明ND SCG链也可工作于色散在材料的非线性中占主导地位的低峰值强度的限制下。可见，ND SCG链具有额外的优势，即避免了低峰值强度激光输入的光谱钳制，因此，当非线性长度远大于色散长度时，即使在这些低峰值强度下也能产生SCG。交替链不仅可以有利地克服ND光谱钳制，还可使SCG应用于低峰值强度激光状态。
AD SCG和混合情况的描述
另一种重要情况是，通过自相位调制实现光谱展宽的主要贡献发生在链中的反常色散段(即，AD SCG链)中。在这种情况下，AD段中发生非线性时间压缩，并且由于峰值强度的上升和持续时间的减少，SPM扩展了光谱带宽。但是，在AD段中传播一定长度后，要么脉冲越过其时间焦点，导致其时间啁啾的方向反转并使得SPM光谱变窄，要么孤子形成并终止了任何明显的相干光谱带宽增加(即，钳制光谱)。因此，需对每个AD段的长度进行选择，使得脉冲在上述两个过程发生之前进入ND段，以在时间上被散焦和啁啾。在ND段之后的下一个AD段中，脉冲既不在其时间焦点上，也不接近需要耦合到孤子中的短持续时间、高峰值强度分布。因此，当脉冲在时间上从其色散的啁啾分布压缩时，就会产生光谱。同样地，在脉冲压缩到发生孤子裂变或时间啁啾反转发生的点之前，终止AD段。以这种方式，仅通过添加AD-ND循环，就可以在链中以不被钳制的方式继续产生光谱。
由于在光谱钳制发生之前，材料色散增加AD SCG过程中的SPM光谱展宽，因此，相较于材料色散始终可以抵消SPM光谱展宽的ND SCG，AD SCG具有更高的光谱带宽。因此，在产生与ND SCG链对应部分相关的所需光谱带宽时，AD SCG链变体可能需要较少的链周期。同样，即使输入脉冲能量低于在传统设置中启动SCG所需的基本孤子能量，本方法也可产生SCG。因此，与本方法的ND SCG链变体一样，AD SCG链不仅克服了AD光谱钳制过程，还使得SCG可用于低于传统AD SCG波导中SCG所需截止值的低脉冲能量状态。
最后一种情况为光谱产生实质上在所有段中完成，并且它们(ND段或AD段)阻止彼此的光谱钳制机制(即，AD SCG和ND SCG光谱钳制机制)。
实验设置和结果
为了通过实验演示用于SCG的系统、方法和结构，选择基于光纤的波导来实现ND SCG链，因为光纤可以容易地控制段的长度以优化SCG。此外，使用市售的拼接器和切割器可以较容易地连接光纤。因此，选择光纤以便通过实验快速、方便地演示ND SCG链的情况。
实验设置：如图3所示的说明性实验设置包括一个用于产生超短光脉冲的源，这些光脉冲被注入实现SCG的由光纤段组成的链中。该源包括市售的被动锁模掺铒光纤激光器、放大器和时间压缩器系统。
在操作上，仅出于实验目的而不限制本发明的范围，进入光纤链的脉冲的脉冲参数包括半峰全宽(FWHM)脉冲持续时间为74飞秒(fs)，在重复频率79.9兆赫(MHz)下的平均功率为50兆瓦(mW)，中心波长为1560纳米(nm)。耦合入光纤中的功率为35.6mW(446皮焦耳(pJ)脉冲能量)。
使用标准单模掺杂二氧化硅阶跃折射率光纤段(用于ND的康宁Hi1060flex，用于AD的康宁SMF28)，这有利于提供如图4所示的充分表征的色散特性和非线性特性，从而使得数值建模以及与实验数据的比较更加可靠。选择这些特定的单模光纤是因为它们在泵浦激光器的波长范围内具有相对于彼此符号反转的二阶色散，ND光纤的高非线性系数，以及它们之间可以实现低熔接损耗。
可以观察到，图4示出了二阶色散与实验用的AD和ND光纤段的波长的关系图，其中垂直虚线表示根据本发明方面的AD段的零色散波长(1.31μm)和ND段的零色散波长(1.83μm)。
对于第一个ND段，可得到Lnl(ND)≈4.1cm以及LD(ND)≈10.1cm，满足然而，不能确保所有后续ND段都满足该不等式，因为随着脉冲持续时间的减少，LD(ND)会降低得更快。实际上，在本文的实验中，第3个ND段之后Lnl(ND)>LD(ND)，但结果表明光谱带宽仍然增加。
实验程序：在本实验中，首先使用一根25厘米的ND光纤，然后使用光谱分析仪(OSA)根据其输出测量光谱。缩短(削减)长度，直到光谱宽度开始轻微减少(例如，-30分贝(dB)的程度)，从而确保了光纤长度在光谱正在产生且未被钳制的长度内。如上讨论的，由于色散时间散焦，当超过这个长度时，光谱产生被钳制(即，幅度小于-30dB时可以忽略不计)。
缩短光纤到此长度会干扰进一步的脉冲散焦，从而最大限度地减少高阶色散的相位贡献，但不会干扰光谱的产生。重要的是，在下一个AD段中去除这些相位贡献以实现更好的脉冲压缩。在本文的演示中，由于AD光纤不能完全补偿ND光纤的高阶色散，因此无法对此进行补偿。
然后，将一根20厘米的AD光纤与ND光纤进行拼接，并使用强度自相关器(APE自相关仪)测量脉冲持续时间。缩短光纤直到自相关轨迹(AC)指示最小脉冲持续时间，即时间焦点位于输出面。然后用下一根ND光纤重复上述过程，依此类推。
结果和讨论
ND SCG光纤链的光谱和时间演化：实验结果参考图5，该图为从分段链式光纤波导中的超连续谱产生获得的测量功率谱，其中显示了使用相同长度的正常色散(ND)光纤、反常色散(AD)光纤和相同的脉冲输入参数获得的测量光谱，以及数值模拟值，以用于对比。
正如本领域技术人员所观察和理解的，与具有相同长度的非分段ND光纤和AD光纤相比，本发明实现了光谱带宽的明显增加。此外，还给出了基于数值求解广义非线性薛定谔方程的理论建模结果。理论预测支持实验数据，即ND SCG交替链的带宽有较大的增强。图5还通过数值和实验示出，与输入脉冲相比，AD光纤中的光谱产生可以忽略不计，从而证明这种类型的光纤链在ND SCG占主导地位的链式情况下工作，即光谱主要产生在ND段。
本领域技术人员容易理解的是，通过本文所教导和公开的交替色散所产生的根据本发明方面的超连续谱产生是可实现的、实用的并且有效的。
据本文所知，这些结果首次证明了这种SCG新方法：使用链获得的光谱相对于相同长度的ND光纤的钳制光谱具有明显的相对带宽增加，这种链式光纤系统通过损失峰值强度有利地避免了在ND光纤SCG中发生光谱钳制。
例如，链的e-1光谱宽度为233nm，比ND光纤宽一个1.7的因子，以及比AD光纤宽一个2.7的因子。与参考光纤相比，这种光纤链中通过增加49％的额外损耗，从而获得了光谱的增加，由于可以一半的可用功率有效地获得，使得这种显着增强更加显着。
实验还表明，当Lnl(ND)>LD(ND)时，即使在ND SCG链的前几个段处(即，在光纤链的第3个ND段处)，也可发生光谱带宽增加。
此外，相当重要的是，实验表明交替的ND-AD色散参数分布只要具有相反的符号，不需要严格遵循关于更高阶色散参数(即大于二阶)的特定设置。相反，该链对色散参数形状的偏差具有鲁棒性。这将在下一段和下一节中详细阐述。
图6(A)示出了根据本发明方面的，相对光谱能量密度(dB)与在链中各个ND段后测量到的输出光谱的波长(μm)的关系图；以及图6(B)示出了相对脉冲强度(颜色编码)和时间形状(Fs)与传播距离(cm)，以及与时间(fs)的关系图，其中根据本发明方面的，时间坐标是在以群速度移动的帧中获得。
同时参考这些图，可以理解图6(A)示出了一组较详细的实验数据，即光谱展开；而图6(B)示出了SCG的时间展开的理论数据与通过增加这种光纤段的数量进行传播的关系图。此外，可看出光谱带宽随着各个ND段逐步增长(参见图6(A))，而脉冲FWHM持续时间在整个传播坐标上的约30fs和175fs之间振荡(参见图6(B))。两种展开都证实了根据本发明方面的新方法可正常工作。
通过实验还验证了，最后一个AD段能够将脉冲压缩到46fs(～33fs)FWHM的自相关值，这是交替链SCG的一个重要额外优势并可能应用于实际SCG实验；在链的输出处，如果是由AD段终止，则SCG脉冲在时间上已处于压缩形式。据本文所知，目前还未找到一种可在此中心波长下将输出脉冲的持续时间压缩到50fs以下的全光纤SCG系统，这些光纤在高于二阶色散系数的幅度上表现出不匹配的幅度(即，不匹配的高阶色散)。
本文注意到最后一个(第四个)ND段相对于前一段的e-1光谱带宽比为1.28。考虑到Lnl(ND)＞＞LD(ND)，这超出了预期。然而，在最后一个ND段处，光谱增加开始减慢。最终，由于未补偿的光谱相位产生的峰值强度损失和累积拼接损失，此光纤链再现中后续段的光谱增加是有限的。
在ND SCG链的实际实现中，两个段的色散参数分布在整个相关光谱范围内不具有相反的符号。由于ND光纤和AD光纤的色散参数具有相同的符号，因此超过一定带宽后，会出现未补偿的光谱相位。这最终导致该光谱区域内辐射的时间间隔增加(时间走离)，该辐射的连续时间加宽和整体时间峰值强度的降低。这不仅限制了该区域的光谱产生，还限制了整个光谱的产生。
本文注意到，这是本文实验中的技术限制。具体而言，正因如此，预计光谱产生在AD和ND段的两个零色散波长(ZDWs)1.31μm和1.83μm附近被钳制(如图4所示)，即e-1级别的最大可能带宽为两个零色散波长之间的范围。当接近这些端点时，额外ND段中的光谱增长将停止。
同样，在ND-AD段之间D符号相反的光谱范围内，光谱相位累积仍在发生。这是因为AD光纤段引入高于二阶的色散(如下一节所述，ND段的高阶色散贡献较小)，从而导致各个ND-AD段循环之后的未补偿光谱相位累积在零色散波长之间的范围内，还导致峰值强度降低和时间走离入子脉冲(以不同的中心波长为中心)。然而，这是在许多链段之后发生的一种更高阶的色散效应，并且该链可能对这一过程具有相当大的弹性(见下一节)。这些过程的证据在图6(B)中示出。
高阶色散和理想色散参数的影响：由SPM引起的高阶(即高于二阶)光谱相位贡献的影响对其整体光谱相位贡献的贡献较小。SPM的二阶相位贡献占主导地位，因为高阶贡献主要来自于时间脉冲翼的光谱贡献，其中SPM啁啾降低回脉冲(这里假设接近高斯脉冲)的原始载波频率。这样，由于相对于主要部分(在e-1时间宽度内)，在脉冲翼中捕获的能量较少，因此这些贡献可忽略不计。
本领域技术人员容易理解的，并对根据本发明方面的系统、方法和结构特别有利的，AD段仅需要补偿该二阶相位贡献(其与ND色散相位函数同向啁啾，与AD色散相位函数反向啁啾)。这可以通过调整AD部分的长度以匹配其群延迟色散(GDD)系数的大小来轻易地解决。
本文注意到，在发生大SPM光谱展宽的ND段中，可以有效地忽略ND段的高阶色散，因为色散相位贡献在不断增加的光谱带宽上不断拉伸。如果ND段长度在该段中的光谱钳制发生之前被中断(太短)，则色散相位贡献被有效地分割到更大的带宽上。这将导致ND段引入的GDD更低，以及其高阶相位贡献甚至更低。因此，在开始的链循环中，光谱产生对ND段的高阶色散具有鲁棒性(重要的是，两段之间的二阶色散系数具有与脉冲压缩相反的符号)。由于主要的高阶相位贡献来自AD段的高阶色散，因此具有最小高阶色散的群速度色散(GVD)参数分布是理想的(即平坦的)。
当后续ND链段中的光谱产生变得不那么占优势时(即Lnl(ND)>LD(ND))，或者当ND段的长度大于光谱饱和长度时，那么理想的是在AD和ND光纤段之间的光谱轴上具有镜面反射色散参数(或GVD)分布(确定为可根据AD段的长度设置的任意常数)。
本文注意到，在实验中，AD和ND光纤段的色散参数分布既不是彼此的光谱轴镜面反射分布，也不是AD色散参数分布对应于沿感兴趣的光谱范围的平坦GVD(事实上，与此有很大的不同)。然而，通过实验观察到，交替链相对于参考光纤具有明显的光谱增强。同样，通过实验验证了，在本光纤链的最后一个AD段处可具有33fs的脉冲持续时间。对于此类光纤段来说从没有过这种时间压缩，因此证明了该链对特定色散参数形状(假设符号交替)的鲁棒性。
这可能是因为虽然轮廓远非理想，但相反的色散参数符号(以及段长度沿链变化)使得一些SPM生成的光谱分量可以围绕非线性相互作用的主脉冲“绕轨道运行”(或子脉冲)并且在沿着传播坐标的位置处再次与主辐射重叠(可能在链中稍后的链循环设定数量之后)。因此，它们可能通过XPM与主脉冲有助于光谱生成，从而使得光谱带宽产生，和/或这些频谱分量将它们的频率移动到沿色散曲线的位置，交替段之间的频谱相位在这些位置处得到更好的补偿。这些光谱分量的这种轨道动态导致峰值强度对于大量链段保持不变，并且受沿传播坐标的未补偿光谱相位和正在进行的光谱生成的影响较小。这导致该链对组分段色散参数分布的特定形状相当稳健，并且仅严格遵守这些段之间色散符号交替。
实验结果特别重要的是，从实现的大光谱增强和时间脉冲压缩可看出，本方法对这些高于二阶相位的过程具有鲁棒性；但尽管如此，这些过程，尤其是AD段的高阶色散，会在许多链循环后影响光谱产生(例如，带宽增加比率的动态)。
结论
本文公开并提出了一种波导超连续谱产生的新方法，其能克服现有方法的基本局限性。通过在适当长度的段中沿传播方向在正常色散和反常色散之间交替波导色散，可克服SCG中的光谱钳制，同时保持相干生成。同样，相比传统方法，SCG的峰值功率可扩展任意低的值。
本文已在理论和实验上详细地探讨了SCG主要产生在正常色散段的情况。本文发现，在理想情况下，即使存在典型的波导(光纤)色散，光谱带宽增强也可以超过没有色散的情况。本文还推导出了可用于辅助设计这种交替波导下界估计。在本文中，利用由标准正常色散和反常色散光纤段拼接成的链通过实验证明了新方法。相比仅使用正常色散或反常色散的等效长度的光纤，本文生成的SC光谱具有更高的带宽。本文还发现，光纤链对于高于段的二阶色散相当稳健，且仍然可以实现高光谱增强和脉冲压缩。
本文注意到，本文进行的计算和/或实验表明，随着链循环的增加，AD段长度收敛于固定长度。由于ND段长度可以配置为恒定值，这意味着对于足够大的交替段链循环，段长度将接近周期性排列。如本领域技术人员将理解的，这使得根据本发明的系统、方法和结构与谐振器中的重复非线性产生相兼容。例如但不限于，可配置一个系统，其中交替段链的末端回到链的某部分，从该部分开始段长度的周期性收敛。或者，如果可以允许出现在具有周期性结构的链的起始部分中的各个链段光谱生成减少，则可以使用整个链作为交替色散谐振器，以控制集成光学谐振器中的克尔梳生成。
最后，本文再次注意到根据本发明方面的系统、方法和结构可以有利地利用或以其他方式采用硅光子学技术、方法和/或材料，并且被包括在集成系统和结构中。图7(A)——图7(E)为根据本发明方面的，提供光脉冲的SCG的说明性波导配置的示意图，可在采用现代工艺和材料的集成波导结构中有利地和说明性地实现，其中：图7(A)是第一种情况的说明性配置；图7(B)是第二种情况的说明性配置；图7(C)为第三种情况说明性配置；图7(D)显示了波导结构的说明性参数；示出了根据本发明方面，相对光谱能量密度(dB)与在链中各个ND段后测量到的输出光谱的波长(μm)的关系图；以及图7(E)示出了说明性波导的横截面图——均根据本发明方面。
虽然本文中根据一些具体示例来展现了本发明，但是本领域技术人员将认识到本文的教导并不限于此。因此，本发明仅由所附权利要求的范围限制。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
