摘要
中红外超连续谱 (SC) 光源可受益于中心波长长于氟化物光纤零色散波长（约 1600 nm）的低成本泵浦光。这使得掺铥激光器成为一项颇具吸引力的技术，但其相对强度噪声 (RIN) 通常未被表征。此外，低泵浦噪声是否是 SC 应用的必要条件？我们专注于低成本，开发了一款三级放大的 1946 nm 增益开关二极管 (GSD)，其 RIN 高达 12%，并支持灵活的重复频率控制，这至关重要地允许用户根据具体应用优化 SC 性能。我们展示了 2 MHz 下 1873–3986 nm 的max.−10 dB 带宽，以及 1 MHz 下 1900 nm 、2300 nm 和 3250 nm 的min. RIN 分别为 6.1%、10.4% 和 16.6%。我们定义了在3000至3500 nm区域之间工作的品质因数，并证明其在3 MHz时达到一定值（max），展现了该控制在优化特定性能指标方面的强大功能。
该性能与1900-3796 nm范围内的SC进行了比较，后者由工作频率为5.8 MHz的放大掺铥锁模光纤激光器泵浦，RIN < 0.11%。尽管泵浦噪声显著优于后者，但相比之下，1900 nm、2300 nm和3250 nm的SC RIN分别为2.0%、9.5%和8.5%，这表明调制不稳定性驱动的SC生成过程主导了噪声性能，从而降低了对低泵浦噪声的需求。
1.引言
中红外 (MIR) 超连续谱 (SC) 光源是光谱学、显微镜和成像等需要宽带宽和高亮度应用的理想选择。它们对非生物材料的光学相干断层扫描 (OCT) 具有吸引力，因为与近红外光源相比，MIR 波长能够穿透更深的样品，而宽带宽确保了较高的轴向分辨率。为了最大限度地提高应用信噪比 (SNR)，理想情况下应最大限度地提高功率谱密度并最大限度地降低脉冲能量波动的影响。通过采用较低的脉冲间相对强度噪声 (RIN) 和较高的脉冲重复率 (PRR) 操作，可以降低这些波动的有害影响，这可以在基于光谱仪的应用的固定积分时间内实现更高的信号平均。通过比较 80 MHz 和 320 MHz 商用调制不稳定性 (MI) 超连续谱光源，OCT 图像质量得到了改善，证明了这一点。在这项工作中，我们对泵 PRR 对 MIR SC RIN 的影响进行了全面的研究。
2.实验结果
A.增益开关二极管泵浦
为了启动中红外超连续谱 (SCG) 的产生，我们利用来自放大的 1946 nm 增益开关二极管 (GSD) 的皮秒脉冲泵浦 ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF (ZBLAN) 光纤。在异常色散区泵浦时，MI 和孤子动力学可以产生高效的 SCG。图 1 显示了本研究中使用的 7.2 µm 芯径 ZBLAN 光纤 (FiberLabs Inc.) 的色散测量曲线，该曲线采用文中概述的干涉技术测得。第一个零色散波长为 1530 nm，第二个零色散波长为 4475 nm，由此可见，在 1946 nm 泵浦对于实现高效的 SCG 是合理的。与常用的利用光纤级联红移 1550 nm 光源的技术相比，直接以较长的波长泵浦具有简单性和效率优势。为了最大限度地降低成本和复杂性，GSD 泵浦源（图 2）采用了三级放大器设计，从而无需使用第四级放大级和用于消除放大自发辐射 (ASE) 的电光调制器。这种架构具有一些吸引人的特点，包括稳健性、全光纤化设计和简单的 PRR 控制，这为锁模系统带来了关键优势。在本研究中，我们操作在皮秒范围内，并研究了 1 至 10MHz 之间的 PRR。
图 1. 测量芯径为 7.2 µm 的 ZBLAN 光纤的色散分布。
图2. 1946 nm 泵浦源和 SCG 级。箭头表示二极管辐射的波长和方向。WFG = 波形发生器，ISO = 隔离器，CIR + FBG = 循环器 + 光纤布拉格光栅
泵浦源基于 1946 nm 激光二极管（Eblana Photonics，图 2 中红色部分），通过波形发生器（Active Technologies）发送的宽度为 330 ps、幅度为 5 V 的准方波电脉冲进行增益切换。通过改变电脉冲的频率来控制 PRR。 1946 nm 的输出受限于单纵模，线宽约为 60 GHz，脉冲能量较低（< pJ）；因此，在 SCG 之前需要进行显著的放大。这通过三级掺铥光纤 (TDF) 放大器实现，该放大器由两级纤芯泵浦预放大器和一级包层泵浦功率放大器组成。预放大器泵浦光由光纤化的 1550 nm 激光二极管（Thorlabs, Inc.，图 2 中绿色部分）构成，并在 6 米长、纤芯直径为 10 µm 的掺铒/镱光纤 (Exail) 中放大，该光纤由 915 nm 二极管（nLight，图 2 中蓝色部分）泵浦。 1550 nm 放大器的输出光经隔离器后，使用 50:50 光纤耦合器进行分光。耦合器的每个分支都包含一个波分复用器，使 550 mW 的 1550 nm 泵浦光与 1946 nm 信号光共同通过每个再放大器。第一个预放大器 (Tm1) 由 10 m 长、芯径为 5 µm 的 TDF (OFS) 组成。由于脉冲能量和占空比较低，连续的 1550 nm 泵浦光在预放大器级中产生显著的放大自发辐射 (ASE)，从而限制了可实现的增益。在每个预放大器之后，使用组合式循环器和光纤布拉格光栅 (Exail) 消除带外 ASE，其在 1946 nm 处的反射带宽为 1 nm。第二个前置放大器 (Tm2) 采用 6 米长、芯径 9 µm 的 TDF（Coherent 公司），而最后一个功率放大器 (Tm3) 采用 1.5 米长、芯径 10 µm 的双包层 TDF（Exail 公司），由 793 nm 二极管（nLight，图 2 中紫色部分）泵浦。为了便于后续泵浦源特性分析，Tm3 的输出光在 ∼ 8° 处被切割，以防止背向反射。
图 3 显示了每个 PRR 的 1946 nm Tm3 输出功率与高达 8.9 W 的 793 nm 发射功率（吸收功率为 5.9 W）的关系。最大输出功率范围为 2 MHz 时的 1.24 W 至 10 MHz 时的 1.58 W，1 MHz 时的最大增益为 66 dB。然而，ASE 可能构成输出功率的一部分，并且可以解释 1 到 2 MHz 之间的轻微下降，因为增加 PRR 会减少 ASE 在脉冲之间积累的机会。所有进一步的测量均在最大输出功率下进行（使用 8.9 W 的 793 nm 泵浦功率）。脉冲持续时间超过了我们的 4 GHz 示波器（HDO9404，Teledyne Lecroy）的速度；因此我们利用自相关 (AC) 来估计脉冲持续时间。在测试的重复率范围内进行的交流测量 (pulseCheck SM, APE GmbH) 表明脉冲形状并不理想，中心峰值周围有宽肩，如 1 MHz 处所示（图 3 插图）。对应于检索到的 15 ps 脉冲全宽半峰 (FWHM) 的 sech2 和高斯拟合对中心峰值提供了合理的拟合，但对肩部区域的拟合不佳。我们缺乏关于二极管初始脉冲形状的信息，也缺乏后续光纤布置中可能发生的重塑信息。由于自相关本质上需要对脉冲形状有充分的了解，因此这些结果应该被视为脉冲持续时间的指示值。交流 FWHM 通常随着 PRR 而增加，从 1 MHz 时的 21.3 ps 增加到 10 MHz 时的 35.2 ps，这表明脉冲持续时间低于 35.2 ps。最后，按照所述方案测量泵浦源的RIN。该方法基于一个光电二极管（PDAVJ10，Thorlabs公司）连接到示波器来捕获脉冲序列。RIN随PRR的变化很小，值在11.6%到12.5%之间[图6(a)，插图]。
图3. 选定PRR条件下，Tm3 1946 nm输出与793 nm泵浦功率的关系。插图：1 MHz下的AC曲线（蓝色）、sech2拟合曲线（红色）和高斯拟合曲线（绿色）。
B.超连续谱的产生
泵浦特性测定后，将Tm3光纤平切，并与带有SM1950尾纤（Precision Micro Optics Inc.）的隔离器熔接。该熔接点用石墨胶带固定在光学平台上，以便于从包层中去除未吸收的泵浦光。隔离器前的SM1950光纤长度较短（约20厘米），以最大限度地减少脉冲分裂和光谱展宽（这会增加隔离器的损耗）。隔离器后的SM1950光纤用于通过MI引发脉冲分裂，产生波长更长的飞秒孤子，以便在后续的ZBLAN光纤中实现高效的单模光纤（SCG）（图2）。通过最大化后续ZBLAN光纤中2.4微米以上波长的功率，将光纤长度（在1 MHz下）优化至约40厘米。请注意，SM1950 的损耗在 2.2 µm 以上显著增加。平切 SM1950 输出端对接耦合到 4 m ZBLAN 光纤的 FC/PC 连接器输入端。ZBLAN 光纤的输出端采用 FC/APC 连接器端接，以最大限度地减少反馈。
图 4 显示了三种效率对 PRR 的依赖关系。首先，Tm3 通过隔离器和 SM1950 尾纤（蓝色）的传输效率从 1 MHz 时的 52% 增加到 10 MHz 时的 76%。这种增加可以归因于较低 PRR 下的较高峰值功率，这导致 SM1950 光纤进一步展宽，从而导致隔离器的损耗增加，该隔离器针对 1950 nm 进行了优化。其次，SM1950 输出尾纤通过 ZBLAN 光纤（绿色）的传输率更加稳定，范围从 2 MHz 时的 60.2% 到 10 MHz 时的 66.4%。略微增加可能是由于在较高 PRR 下光谱展宽减小 [图 5(b)]，因此 4.0 µm ZBLAN 损耗边缘处的光通量减少。最后，2.4 µm 以上波长的输出功率与 ZBLAN 总输出功率（红色）的比率在 2 MHz 时达到峰值 42.1%，之后随着 PRR 的增加而降低。有趣的是，尽管 1 MHz 的 SC 带宽已优化，但最大值仍出现在 2 MHz。这可以解释为，在较低 PRR 下，占空比降低导致隔离器损耗增加和 ASE 升高，而较高 PRR 下峰值功率降低导致 ZBLAN 光纤的光谱展宽减小。使用基于光栅的光谱仪（S3，Miriad Technologies Ltd）测量了SM1950光纤[图5(a)]和ZBLAN光纤[图5(b)]的输出光谱。ZBLAN光纤的光谱带宽定义为距超连续谱峰最大值-10 dB的宽度（不包括泵浦区域）。ZBLAN光纤在2MHz下实现了最宽的光谱，带宽为1873-3986 nm。
图 4. 效率：Tm3 通过隔离器 + SM1950 光纤（蓝色），SM1950 光纤通过 ZBLAN 光纤（绿色），以及 ZBLAN 光纤 2.4 µm 以上波长输出功率与总输出功率之比（红色）。
图 5. 来自 (a) SM1950 和 (b) ZBLAN 的 GSD 泵浦 SCG，具有锁模 (ML) 泵浦光谱；标记为光谱区域 R1、R2 和 R3。
C.相对强度噪声特性
使用带通滤波器在三个光谱区域测量相对强度噪声 (RIN)，分别为 1900 ± 100 nm (R1)、2300 ± 25 nm (R2) 和 3250 ± 250 nm (R3)。观察到 SM1950 光纤的相对强度噪声 (RIN) 在 R1 处随 PRR 略微增加，在 R2 处增加更为显著[图 6(a)]，因为该区域位于光谱固有噪声较大的边缘。在 4MHz 时，只有光谱中微弱且噪声较大的红外边缘与 R2 重叠，因此 RIN 变得不那么重要；而在更高的 PRR 下，峰值功率太低，无法提供足够的展宽。对于 ZBLAN 输出[图 6(b)]，R1 处的 RIN 相当恒定，值在 5.6% 到 6.2% 之间，约为泵浦光的一半。然而，正如预期的那样，在其他两个区域，RIN 随着 PRR 而增加，在 1-5 MHz 范围内，R2 处从 10.4% 增加到 16.8%，R3 处从 16.6% 增加到 35%。这些值相当，尽管高于在 200 kHz 下测得的 5-10% 的值，该值采用了级联光纤架构中的纳秒 1550 nm 泵浦。对于大于 3MHz 的 PRR，R3 处的功率显著下降，这与 RIN 在 10 MHz 时大幅增加至 83.8% 一致。不同光谱位置上 RIN 的演变是一个复杂的过程，受脉冲持续时间、峰值功率和在光纤系统中的位置等多种因素的影响。MI 过程会产生许多孤子，这些孤子的数量通常随着 PRR 的增加而减少。这些产生的孤子可以发生碰撞，从而产生更多的孤子，并因此产生更多的孤子碰撞，从而导致更大的红移，并最终导致更大的光谱带宽。
D.品质因数
我们已经证明，1 MHz 是最小化 RIN 的最佳频率，而 2 MHz 是最大化带宽的最佳频率。然而，为了在特定应用中选择最大化 SNR 的条件，需要考虑 PSD、RIN 和 PRR。事实上，如果在较高 PRR 下工作的好处大于较高的 RIN，那么使用较高的 RIN 可能更可取。这是因为，对于没有其他主要噪声源的非相关脉冲，在固定积分时间内，SNR 可以随着平均频谱数量的平方根 (PRR) 而增加。为了证明这种优化的威力，我们定义了一个时间平均应用的品质因数 (FOM)，它结合了 PSD、RIN 和 PRR：
例如，如果我们考虑一个基于光谱仪的应用，例如中红外光学相干断层扫描 (MIR OCT) 成像，并希望优化 3000-3500 nm 光谱区域（即 R3）的性能，我们可以使用 FOM 来确定最佳 PRR。该数据（图 7）显示，在该光谱区域，尽管最小 RIN 和最大带宽分别在 1 MHz 和 2 MHz 时实现，但峰值 FOM 在 3 MHz 时达到 0.93 mW · MHz0.5/nm。这一重要结论源于对光谱和 RIN 特性的全面分析，并为潜在用户提供了最佳的应用定位。
图 6. (a) SM1950 输出区域 R1 和 R2 的光谱解析 RIN，其中 GSD 和 ML 泵浦 RIN（插图）；(b) ZBLAN 输出区域 R1、R2 和 R3 的光谱解析 RIN，其中 GSD 和 ML 泵浦 RIN。
图 7. 光谱区域 R3 的所有 PRR 的 FOM
E.与锁模泵浦的比较
降低SCG噪声的另一种直观方法是降低泵浦RIN。然而，由于在异常色散区泵浦的SCG是由非相干MI过程驱动的，因此这种方法能带来多大的增益尚不明确。为了探究这一点，我们进行了一项比较研究，测量了上述生成的MIR SC的RIN，只是将GSD换成了工作在1975nm的锁模掺铥光纤激光器，并在两级铥光纤放大器中放大。锁模系统需要更高的复杂度才能实现稳定的脉冲产生，这是通过在光纤激光器腔内使用半导体可饱和吸收镜（SESAM）实现的。与GSD相比，这种锁模架构通常对环境扰动更敏感，而SESAM的逐渐衰减也带来了寿命方面的考虑。此外，与 GSD 系统相比，它在 PRR 控制方面不具备灵活性。通过增加脉冲选择器可以至少部分弥补这一缺陷，但会增加复杂性、成本和插入损耗，尽管这只能降低锁模激光器自由光谱范围内的 PRR。该泵浦工作频率为 5.8 MHz，产生 30 ps 脉冲，RIN 小于 0.11%（检测极限），比 GSD 泵浦低 100 多倍。经过约 1 米长的 SM1950 脉冲分裂光纤，将总功率为 2.09 W 的激光发射到相同的 ZBLAN 光纤中，产生带宽为 1900–3796 nm 的 MIR SC[图 5(b)]和 0.92 W 输出功率，其中 43.5% 的功率在 2.4 µm 以上。尽管泵浦光RIN显著降低，但测得的SC RIN与GSD泵浦相比仅降低了两到三倍，在1900 nm处为2.0%，在2300 nm处为9.5%，在3250 nm处为8.5% [图6(b)]。因此，大幅降低泵浦光RIN的努力不会带来相应降低的SC RIN值，因此对于MIR来说，SCG锁模源仅比GSD泵浦具有中等的噪声优势。这种降噪应该与GSD泵浦的诱人优势相权衡，即低成本、低复杂度、环境稳健的架构，提供简单的PRR可调性和良好的使用寿命前景。
3.结论
本研究提出了一种简单通用的中红外（MIR）单光子晶体（SCG）方案，该方案基于放大的1946 nm GSD以及在石英和ZBLAN光纤中的非线性传播动力学。研究了不同PRR下的带宽和光谱解析RIN。最宽光谱在2MHz下实现，-10 dB带宽为1873-3986 nm；最低RIN在1 MHz下实现，1900 nm处为6.1%，2300 nm处为10.4%，3250 nm处为16.6%。此外，量化光源对最大化应用信噪比（SNR）适用性的FOM表明，在3 MHz下，3000-3500 nm光谱区域的性能最佳。这些结果清楚地表明了PRR控制的重要性，它允许用户优化SC特性以满足特定应用的需求。使用RIN低100倍以上且其他特性相似的锁模泵浦源来生成波长范围为1900–3796 nm的比较级超连续脉冲。然而，由于基于MI的SCG工艺本身存在噪声，获得的SC RIN与GSD泵浦源相比仅降低了两到三倍（尽管泵浦噪声明显更低），在1900 nm处为2.0%，在2300 nm处为9.5%，在3250 nm处为8.5%。因此，泵浦RIN的降低不会导致SC RIN的相应降低。基于GSD的泵浦源的优势在于其架构低成本、简单且坚固耐用，并且可以轻松灵活地调整PRR。在与基于锁模的泵浦源进行比较时，应考虑到这一点。基于锁模的泵浦源以固定的PRR工作，并使用SESAM，其性能会随着时间的推移而下降，并且其脉冲产生方式对环境的适应性也稍差。
苏州长显