摘要

中紅外超連續(xù)譜 (SC) 光源可受益于中心波長長于氟化物光纖零色散波長（約 1600 nm）的低成本泵浦光。這使得摻銩激光器成為一項(xiàng)頗具吸引力的技術(shù)，但其相對強(qiáng)度噪聲 (RIN) 通常未被表征。此外，低泵浦噪聲是否是 SC 應(yīng)用的必要條件？我們專注于低成本，開發(fā)了一款三級放大的 1946 nm 增益開關(guān)二極管 (GSD)，其 RIN 高達(dá) 12%，并支持靈活的重復(fù)頻率控制，這至關(guān)重要地允許用戶根據(jù)具體應(yīng)用優(yōu)化 SC 性能。我們展示了 2 MHz 下 1873–3986 nm 的max.−10 dB 帶寬，以及 1 MHz 下 1900 nm 、2300 nm 和 3250 nm 的min. RIN 分別為 6.1%、10.4% 和 16.6%。我們定義了在3000至3500 nm區(qū)域之間工作的品質(zhì)因數(shù)，并證明其在3 MHz時(shí)達(dá)到一定值（max），展現(xiàn)了該控制在優(yōu)化特定性能指標(biāo)方面的強(qiáng)大功能。

該性能與1900-3796 nm范圍內(nèi)的SC進(jìn)行了比較，后者由工作頻率為5.8 MHz的放大摻銩鎖模光纖激光器泵浦，RIN < 0.11%。盡管泵浦噪聲顯著優(yōu)于后者，但相比之下，1900 nm、2300 nm和3250 nm的SC RIN分別為2.0%、9.5%和8.5%，這表明調(diào)制不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的SC生成過程主導(dǎo)了噪聲性能，從而降低了對低泵浦噪聲的需求。

1.引言

中紅外 (MIR) 超連續(xù)譜 (SC) 光源是光譜學(xué)、顯微鏡和成像等需要寬帶寬和高亮度應(yīng)用的理想選擇。它們對非生物材料的光學(xué)相干斷層掃描 (OCT) 具有吸引力，因?yàn)榕c近紅外光源相比，MIR 波長能夠穿透更深的樣品，而寬帶寬確保了較高的軸向分辨率。為了最大限度地提高應(yīng)用信噪比 (SNR)，理想情況下應(yīng)最大限度地提高功率譜密度并最大限度地降低脈沖能量波動(dòng)的影響。通過采用較低的脈沖間相對強(qiáng)度噪聲 (RIN) 和較高的脈沖重復(fù)率 (PRR) 操作，可以降低這些波動(dòng)的有害影響，這可以在基于光譜儀的應(yīng)用的固定積分時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)平均。通過比較 80 MHz 和 320 MHz 商用調(diào)制不穩(wěn)定性 (MI) 超連續(xù)譜光源，OCT 圖像質(zhì)量得到了改善，證明了這一點(diǎn)。在這項(xiàng)工作中，我們對泵 PRR 對 MIR SC RIN 的影響進(jìn)行了全面的研究。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

A.增益開關(guān)二極管泵浦

為了啟動(dòng)中紅外超連續(xù)譜 (SCG) 的產(chǎn)生，我們利用來自放大的 1946 nm 增益開關(guān)二極管 (GSD) 的皮秒脈沖泵浦 ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF (ZBLAN) 光纖。在異常色散區(qū)泵浦時(shí)，MI 和孤子動(dòng)力學(xué)可以產(chǎn)生高效的 SCG。圖 1 顯示了本研究中使用的 7.2 µm 芯徑 ZBLAN 光纖 (FiberLabs Inc.) 的色散測量曲線，該曲線采用文中概述的干涉技術(shù)測得。第一個(gè)零色散波長為 1530 nm，第二個(gè)零色散波長為 4475 nm，由此可見，在 1946 nm 泵浦對于實(shí)現(xiàn)高效的 SCG 是合理的。與常用的利用光纖級聯(lián)紅移 1550 nm 光源的技術(shù)相比，直接以較長的波長泵浦具有簡單性和效率優(yōu)勢。為了最大限度地降低成本和復(fù)雜性，GSD 泵浦源（圖 2）采用了三級放大器設(shè)計(jì)，從而無需使用第四級放大級和用于消除放大自發(fā)輻射 (ASE) 的電光調(diào)制器。這種架構(gòu)具有一些吸引人的特點(diǎn)，包括穩(wěn)健性、全光纖化設(shè)計(jì)和簡單的 PRR 控制，這為鎖模系統(tǒng)帶來了關(guān)鍵優(yōu)勢。在本研究中，我們操作在皮秒范圍內(nèi)，并研究了 1 至 10MHz 之間的 PRR。

圖 1. 測量芯徑為 7.2 µm 的 ZBLAN 光纖的色散分布。

圖2. 1946 nm 泵浦源和 SCG 級。箭頭表示二極管輻射的波長和方向。WFG = 波形發(fā)生器，ISO = 隔離器，CIR + FBG = 循環(huán)器 + 光纖布拉格光柵

泵浦源基于 1946 nm 激光二極管（Eblana Photonics，圖 2 中紅色部分），通過波形發(fā)生器（Active Technologies）發(fā)送的寬度為 330 ps、幅度為 5 V 的準(zhǔn)方波電脈沖進(jìn)行增益切換。通過改變電脈沖的頻率來控制 PRR。 1946 nm 的輸出受限于單縱模，線寬約為 60 GHz，脈沖能量較低（< pJ）；因此，在 SCG 之前需要進(jìn)行顯著的放大。這通過三級摻銩光纖 (TDF) 放大器實(shí)現(xiàn)，該放大器由兩級纖芯泵浦預(yù)放大器和一級包層泵浦功率放大器組成。預(yù)放大器泵浦光由光纖化的 1550 nm 激光二極管（Thorlabs, Inc.，圖 2 中綠色部分）構(gòu)成，并在 6 米長、纖芯直徑為 10 µm 的摻鉺/鐿光纖 (Exail) 中放大，該光纖由 915 nm 二極管（nLight，圖 2 中藍(lán)色部分）泵浦。 1550 nm 放大器的輸出光經(jīng)隔離器后，使用 50:50 光纖耦合器進(jìn)行分光。耦合器的每個(gè)分支都包含一個(gè)波分復(fù)用器，使 550 mW 的 1550 nm 泵浦光與 1946 nm 信號(hào)光共同通過每個(gè)再放大器。第一個(gè)預(yù)放大器 (Tm1) 由 10 m 長、芯徑為 5 µm 的 TDF (OFS) 組成。由于脈沖能量和占空比較低，連續(xù)的 1550 nm 泵浦光在預(yù)放大器級中產(chǎn)生顯著的放大自發(fā)輻射 (ASE)，從而限制了可實(shí)現(xiàn)的增益。在每個(gè)預(yù)放大器之后，使用組合式循環(huán)器和光纖布拉格光柵 (Exail) 消除帶外 ASE，其在 1946 nm 處的反射帶寬為 1 nm。第二個(gè)前置放大器 (Tm2) 采用 6 米長、芯徑 9 µm 的 TDF（Coherent 公司），而最后一個(gè)功率放大器 (Tm3) 采用 1.5 米長、芯徑 10 µm 的雙包層 TDF（Exail 公司），由 793 nm 二極管（nLight，圖 2 中紫色部分）泵浦。為了便于后續(xù)泵浦源特性分析，Tm3 的輸出光在 ∼ 8° 處被切割，以防止背向反射。

圖 3 顯示了每個(gè) PRR 的 1946 nm Tm3 輸出功率與高達(dá) 8.9 W 的 793 nm 發(fā)射功率（吸收功率為 5.9 W）的關(guān)系。最大輸出功率范圍為 2 MHz 時(shí)的 1.24 W 至 10 MHz 時(shí)的 1.58 W，1 MHz 時(shí)的最大增益為 66 dB。然而，ASE 可能構(gòu)成輸出功率的一部分，并且可以解釋 1 到 2 MHz 之間的輕微下降，因?yàn)樵黾?PRR 會(huì)減少 ASE 在脈沖之間積累的機(jī)會(huì)。所有進(jìn)一步的測量均在最大輸出功率下進(jìn)行（使用 8.9 W 的 793 nm 泵浦功率）。脈沖持續(xù)時(shí)間超過了我們的 4 GHz 示波器（HDO9404，Teledyne Lecroy）的速度；因此我們利用自相關(guān) (AC) 來估計(jì)脈沖持續(xù)時(shí)間。在測試的重復(fù)率范圍內(nèi)進(jìn)行的交流測量 (pulseCheck SM, APE GmbH) 表明脈沖形狀并不理想，中心峰值周圍有寬肩，如 1 MHz 處所示（圖 3 插圖）。對應(yīng)于檢索到的 15 ps 脈沖全寬半峰 (FWHM) 的 sech2 和高斯擬合對中心峰值提供了合理的擬合，但對肩部區(qū)域的擬合不佳。我們?nèi)狈﹃P(guān)于二極管初始脈沖形狀的信息，也缺乏后續(xù)光纖布置中可能發(fā)生的重塑信息。由于自相關(guān)本質(zhì)上需要對脈沖形狀有充分的了解，因此這些結(jié)果應(yīng)該被視為脈沖持續(xù)時(shí)間的指示值。交流 FWHM 通常隨著 PRR 而增加，從 1 MHz 時(shí)的 21.3 ps 增加到 10 MHz 時(shí)的 35.2 ps，這表明脈沖持續(xù)時(shí)間低于 35.2 ps。最后，按照所述方案測量泵浦源的RIN。該方法基于一個(gè)光電二極管（PDAVJ10，Thorlabs公司）連接到示波器來捕獲脈沖序列。RIN隨PRR的變化很小，值在11.6%到12.5%之間[圖6(a)，插圖]。

圖3. 選定PRR條件下，Tm3 1946 nm輸出與793 nm泵浦功率的關(guān)系。插圖：1 MHz下的AC曲線（藍(lán)色）、sech2擬合曲線（紅色）和高斯擬合曲線（綠色）。

B.超連續(xù)譜的產(chǎn)生

泵浦特性測定后，將Tm3光纖平切，并與帶有SM1950尾纖（Precision Micro Optics Inc.）的隔離器熔接。該熔接點(diǎn)用石墨膠帶固定在光學(xué)平臺(tái)上，以便于從包層中去除未吸收的泵浦光。隔離器前的SM1950光纖長度較短（約20厘米），以最大限度地減少脈沖分裂和光譜展寬（這會(huì)增加隔離器的損耗）。隔離器后的SM1950光纖用于通過MI引發(fā)脈沖分裂，產(chǎn)生波長更長的飛秒孤子，以便在后續(xù)的ZBLAN光纖中實(shí)現(xiàn)高效的單模光纖（SCG）（圖2）。通過最大化后續(xù)ZBLAN光纖中2.4微米以上波長的功率，將光纖長度（在1 MHz下）優(yōu)化至約40厘米。請注意，SM1950 的損耗在 2.2 µm 以上顯著增加。平切 SM1950 輸出端對接耦合到 4 m ZBLAN 光纖的 FC/PC 連接器輸入端。ZBLAN 光纖的輸出端采用 FC/APC 連接器端接，以最大限度地減少反饋。

圖 4 顯示了三種效率對 PRR 的依賴關(guān)系。首先，Tm3 通過隔離器和 SM1950 尾纖（藍(lán)色）的傳輸效率從 1 MHz 時(shí)的 52% 增加到 10 MHz 時(shí)的 76%。這種增加可以歸因于較低 PRR 下的較高峰值功率，這導(dǎo)致 SM1950 光纖進(jìn)一步展寬，從而導(dǎo)致隔離器的損耗增加，該隔離器針對 1950 nm 進(jìn)行了優(yōu)化。其次，SM1950 輸出尾纖通過 ZBLAN 光纖（綠色）的傳輸率更加穩(wěn)定，范圍從 2 MHz 時(shí)的 60.2% 到 10 MHz 時(shí)的 66.4%。略微增加可能是由于在較高 PRR 下光譜展寬減小 [圖 5(b)]，因此 4.0 µm ZBLAN 損耗邊緣處的光通量減少。最后，2.4 µm 以上波長的輸出功率與 ZBLAN 總輸出功率（紅色）的比率在 2 MHz 時(shí)達(dá)到峰值 42.1%，之后隨著 PRR 的增加而降低。有趣的是，盡管 1 MHz 的 SC 帶寬已優(yōu)化，但最大值仍出現(xiàn)在 2 MHz。這可以解釋為，在較低 PRR 下，占空比降低導(dǎo)致隔離器損耗增加和 ASE 升高，而較高 PRR 下峰值功率降低導(dǎo)致 ZBLAN 光纖的光譜展寬減小。使用基于光柵的光譜儀（S3，Miriad Technologies Ltd）測量了SM1950光纖[圖5(a)]和ZBLAN光纖[圖5(b)]的輸出光譜。ZBLAN光纖的光譜帶寬定義為距超連續(xù)譜峰最大值-10 dB的寬度（不包括泵浦區(qū)域）。ZBLAN光纖在2MHz下實(shí)現(xiàn)了最寬的光譜，帶寬為1873-3986 nm。

圖 4. 效率：Tm3 通過隔離器 + SM1950 光纖（藍(lán)色），SM1950 光纖通過 ZBLAN 光纖（綠色），以及 ZBLAN 光纖 2.4 µm 以上波長輸出功率與總輸出功率之比（紅色）。

圖 5. 來自 (a) SM1950 和 (b) ZBLAN 的 GSD 泵浦 SCG，具有鎖模 (ML) 泵浦光譜；標(biāo)記為光譜區(qū)域 R1、R2 和 R3。

C.相對強(qiáng)度噪聲特性

使用帶通濾波器在三個(gè)光譜區(qū)域測量相對強(qiáng)度噪聲 (RIN)，分別為 1900 ± 100 nm (R1)、2300 ± 25 nm (R2) 和 3250 ± 250 nm (R3)。觀察到 SM1950 光纖的相對強(qiáng)度噪聲 (RIN) 在 R1 處隨 PRR 略微增加，在 R2 處增加更為顯著[圖 6(a)]，因?yàn)樵搮^(qū)域位于光譜固有噪聲較大的邊緣。在 4MHz 時(shí)，只有光譜中微弱且噪聲較大的紅外邊緣與 R2 重疊，因此 RIN 變得不那么重要；而在更高的 PRR 下，峰值功率太低，無法提供足夠的展寬。對于 ZBLAN 輸出[圖 6(b)]，R1 處的 RIN 相當(dāng)恒定，值在 5.6% 到 6.2% 之間，約為泵浦光的一半。然而，正如預(yù)期的那樣，在其他兩個(gè)區(qū)域，RIN 隨著 PRR 而增加，在 1-5 MHz 范圍內(nèi)，R2 處從 10.4% 增加到 16.8%，R3 處從 16.6% 增加到 35%。這些值相當(dāng)，盡管高于在 200 kHz 下測得的 5-10% 的值，該值采用了級聯(lián)光纖架構(gòu)中的納秒 1550 nm 泵浦。對于大于 3MHz 的 PRR，R3 處的功率顯著下降，這與 RIN 在 10 MHz 時(shí)大幅增加至 83.8% 一致。不同光譜位置上 RIN 的演變是一個(gè)復(fù)雜的過程，受脈沖持續(xù)時(shí)間、峰值功率和在光纖系統(tǒng)中的位置等多種因素的影響。MI 過程會(huì)產(chǎn)生許多孤子，這些孤子的數(shù)量通常隨著 PRR 的增加而減少。這些產(chǎn)生的孤子可以發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生更多的孤子，并因此產(chǎn)生更多的孤子碰撞，從而導(dǎo)致更大的紅移，并最終導(dǎo)致更大的光譜帶寬。

D.品質(zhì)因數(shù)

我們已經(jīng)證明，1 MHz 是最小化 RIN 的最佳頻率，而 2 MHz 是最大化帶寬的最佳頻率。然而，為了在特定應(yīng)用中選擇最大化 SNR 的條件，需要考慮 PSD、RIN 和 PRR。事實(shí)上，如果在較高 PRR 下工作的好處大于較高的 RIN，那么使用較高的 RIN 可能更可取。這是因?yàn)?，對于沒有其他主要噪聲源的非相關(guān)脈沖，在固定積分時(shí)間內(nèi)，SNR 可以隨著平均頻譜數(shù)量的平方根 (PRR) 而增加。為了證明這種優(yōu)化的威力，我們定義了一個(gè)時(shí)間平均應(yīng)用的品質(zhì)因數(shù) (FOM)，它結(jié)合了 PSD、RIN 和 PRR：

例如，如果我們考慮一個(gè)基于光譜儀的應(yīng)用，例如中紅外光學(xué)相干斷層掃描 (MIR OCT) 成像，并希望優(yōu)化 3000-3500 nm 光譜區(qū)域（即 R3）的性能，我們可以使用 FOM 來確定最佳 PRR。該數(shù)據(jù)（圖 7）顯示，在該光譜區(qū)域，盡管最小 RIN 和最大帶寬分別在 1 MHz 和 2 MHz 時(shí)實(shí)現(xiàn)，但峰值 FOM 在 3 MHz 時(shí)達(dá)到 0.93 mW · MHz0.5/nm。這一重要結(jié)論源于對光譜和 RIN 特性的全面分析，并為潛在用戶提供了最佳的應(yīng)用定位。

圖 6. (a) SM1950 輸出區(qū)域 R1 和 R2 的光譜解析 RIN，其中 GSD 和 ML 泵浦 RIN（插圖）；(b) ZBLAN 輸出區(qū)域 R1、R2 和 R3 的光譜解析 RIN，其中 GSD 和 ML 泵浦 RIN。

圖 7. 光譜區(qū)域 R3 的所有 PRR 的 FOM

E.與鎖模泵浦的比較

降低SCG噪聲的另一種直觀方法是降低泵浦RIN。然而，由于在異常色散區(qū)泵浦的SCG是由非相干MI過程驅(qū)動(dòng)的，因此這種方法能帶來多大的增益尚不明確。為了探究這一點(diǎn)，我們進(jìn)行了一項(xiàng)比較研究，測量了上述生成的MIR SC的RIN，只是將GSD換成了工作在1975nm的鎖模摻銩光纖激光器，并在兩級銩光纖放大器中放大。鎖模系統(tǒng)需要更高的復(fù)雜度才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖產(chǎn)生，這是通過在光纖激光器腔內(nèi)使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）實(shí)現(xiàn)的。與GSD相比，這種鎖模架構(gòu)通常對環(huán)境擾動(dòng)更敏感，而SESAM的逐漸衰減也帶來了壽命方面的考慮。此外，與 GSD 系統(tǒng)相比，它在 PRR 控制方面不具備靈活性。通過增加脈沖選擇器可以至少部分彌補(bǔ)這一缺陷，但會(huì)增加復(fù)雜性、成本和插入損耗，盡管這只能降低鎖模激光器自由光譜范圍內(nèi)的 PRR。該泵浦工作頻率為 5.8 MHz，產(chǎn)生 30 ps 脈沖，RIN 小于 0.11%（檢測極限），比 GSD 泵浦低 100 多倍。經(jīng)過約 1 米長的 SM1950 脈沖分裂光纖，將總功率為 2.09 W 的激光發(fā)射到相同的 ZBLAN 光纖中，產(chǎn)生帶寬為 1900–3796 nm 的 MIR SC[圖 5(b)]和 0.92 W 輸出功率，其中 43.5% 的功率在 2.4 µm 以上。盡管泵浦光RIN顯著降低，但測得的SC RIN與GSD泵浦相比僅降低了兩到三倍，在1900 nm處為2.0%，在2300 nm處為9.5%，在3250 nm處為8.5% [圖6(b)]。因此，大幅降低泵浦光RIN的努力不會(huì)帶來相應(yīng)降低的SC RIN值，因此對于MIR來說，SCG鎖模源僅比GSD泵浦具有中等的噪聲優(yōu)勢。這種降噪應(yīng)該與GSD泵浦的誘人優(yōu)勢相權(quán)衡，即低成本、低復(fù)雜度、環(huán)境穩(wěn)健的架構(gòu)，提供簡單的PRR可調(diào)性和良好的使用壽命前景。

3.結(jié)論

本研究提出了一種簡單通用的中紅外（MIR）單光子晶體（SCG）方案，該方案基于放大的1946 nm GSD以及在石英和ZBLAN光纖中的非線性傳播動(dòng)力學(xué)。研究了不同PRR下的帶寬和光譜解析RIN。最寬光譜在2MHz下實(shí)現(xiàn)，-10 dB帶寬為1873-3986 nm；最低RIN在1 MHz下實(shí)現(xiàn)，1900 nm處為6.1%，2300 nm處為10.4%，3250 nm處為16.6%。此外，量化光源對最大化應(yīng)用信噪比（SNR）適用性的FOM表明，在3 MHz下，3000-3500 nm光譜區(qū)域的性能最佳。這些結(jié)果清楚地表明了PRR控制的重要性，它允許用戶優(yōu)化SC特性以滿足特定應(yīng)用的需求。使用RIN低100倍以上且其他特性相似的鎖模泵浦源來生成波長范圍為1900–3796 nm的比較級超連續(xù)脈沖。然而，由于基于MI的SCG工藝本身存在噪聲，獲得的SC RIN與GSD泵浦源相比僅降低了兩到三倍（盡管泵浦噪聲明顯更低），在1900 nm處為2.0%，在2300 nm處為9.5%，在3250 nm處為8.5%。因此，泵浦RIN的降低不會(huì)導(dǎo)致SC RIN的相應(yīng)降低。基于GSD的泵浦源的優(yōu)勢在于其架構(gòu)低成本、簡單且堅(jiān)固耐用，并且可以輕松靈活地調(diào)整PRR。在與基于鎖模的泵浦源進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)考慮到這一點(diǎn)?；阪i模的泵浦源以固定的PRR工作，并使用SESAM，其性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降，并且其脈沖產(chǎn)生方式對環(huán)境的適應(yīng)性也稍差。