基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统和方法

摘要

本发明涉及一种基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统和方法，旨在解决现有光频梳产生系统稳定性差，且光频梳的频率间隔固定或者仅在几个自由光谱范围内可调的弊端。该系统由光学放大器、光隔离器、偏振控制器、上传/下载型微环谐振腔、光分束器以及可调双波长滤波器通过单模光纤串联形成的闭合的光纤环形腔；其中，沿光纤环形腔内激光信号的传播路径，光分束器位于上传/下载型微环谐振腔之后。采用本发明所提供的系统和方法，能产生频率间隔自由可调的光频梳，同时消除了传统基于微环谐振腔的自终止现象，具有操作简单、调节方便、易于系统集成的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光频梳产生系统(装置)和方法，具体涉及一种基于非线性微环谐振腔的克尔光频梳产生系统(装置)和方法，能够产生频率间隔可调的光频梳。

背景技术

光频梳是一种离散的、等频率间距的梳子形状的光谱。光频梳就像一把“光尺”，可用来对光学频率进行极其精密的测量，使得时间标准从微波向光学范畴转变，且其精确度可以提高四个数量级以上。此外，光频梳在精确光学计量、光通信系统、任意光波形发生器、光学原子钟、传感系统及光子信号处理方面有着极为重要的应用。

传统上光频梳由超短脉冲锁模激光器产生，锁模脉冲的频谱彼此间的间隔与激光器的重复频率精确相等，然而其频率间隔受限于锁模激光器的腔长，通常小于10GHz。采用光调制技术可以产生频率间隔大于100GHz的光频梳，然而其频率间隔受限于光电调制器和射频信号发生器，且随着频率的提升，其成本将极剧的增长，不利于规模应用。而基于微环谐振腔的克尔光频梳在高重频光频梳方面具有先天性优势，正好弥补了传统光频梳技术的不足。同时，基于微环谐振腔的克尔光频梳符合现代光学技术向小型化与集成化发展的趋势，具有极为广泛的应用前景。目前关于克尔光频梳的研究已经取得了许多突破性进展，基于MgF2、SiO₂、AlN、SiN、Si，CaF₂等各种光子集成平台的高Q值微腔的光频梳产生系统已有报道。

基于光学微环谐振腔的克尔光频梳的产生通常采用外部谐振注入泵浦光实现，由于微环谐振腔的谐振波长会随温度的变化而变化，因此通常需要进行温度控制，直到泵浦光频率与谐振腔的谐振波长相一致。然而环境温度的慢变化或泵浦光功率的波动将使泵浦光的耦合效率下降，从而产生自终止现象。对于上传/下载型的微环谐振腔，可以采用自锁定的技术方案来解决自终止问题：自锁定技术通过将微环谐振腔嵌入一个增益光学振荡腔中，结合增益腔内的带通滤波器件，选择一个谐振波长作为激光器的发射波长，通过增大腔增益，所选定的发射波长将形成激光发射；进一步增大腔内增益，一旦微环谐振腔内的光功率达到光参量振荡的阈值，将在腔内产生频率间隔为微环谐振腔自由光谱范围的光频梳。自锁定技术的泵浦光由自身的振荡产生，对外部的环境温度与振动具有自反馈调节的能力，具备很好的稳定性，适合实际应用。一般情况下，微环谐振腔光频梳的频率间隔与谐振腔的自由光谱范围相一致，为得到多自由光谱范围的光频梳，泵浦光与谐振腔的失谐耦合与双微环结构方案已有报道，但其频率间隔调节范围只有几个自由光谱范围，同时其调节比较复杂，稳定性差。

发明内容

针对现有基于微环谐振腔的外部谐振注入泵浦光光频梳产生系统稳定性差，且其频率间隔固定或者仅在几个自由光谱范围内可调的弊端，本发明提供了一种可调频率间隔的光频梳产生系统和方法，其产生的光频梳的频率间隔能够以微环谐振腔自由光谱范围的整数倍自由调节，且系统不会因外部温度变化、振动及泵浦功率波动影响而出现自终止现象，具有结构简单、稳定可靠、无需外部环境控制等特点。

本发明的技术方案是：

基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统，包括光隔离器、偏振控制器和上传/下载型微环谐振腔；其特殊之处在于：还包括可调双波长滤波器、光学放大器和光分束器。所述光学放大器、光隔离器、偏振控制器、上传/下载型微环谐振腔、光分束器以及可调双波长滤波器由单模光纤串联形成闭合的光纤环形腔；光分束器的一个输出端作为系统的输出端口，在该输出端口接有光谱仪便于监测系统所产生的光频梳信号；沿光纤环形腔内激光信号的传播路径来看，光分束器须位于上传/下载型微环谐振腔之后，即激光信号先经过上传/下载型微环谐振腔，再经过光分束器；而对其余光学组件的前后位置没有特殊的要求。

上述光学放大器为高增益的光学放大器，为光频梳的产生提供增益。

上述光隔离器用于保证激光信号在光纤环形腔内单向传输，以形成单向的激光振荡输出。

上述偏振控制器用于调整光纤环形腔内激光信号的偏振状态(即使光纤环形腔内的光波为单偏振态)，使入射到上传/下载型微环谐振腔的激光信号的偏振状态与上传/下载型微环谐振腔的TE模式或TM模式一致。

上述上传/下载型微环谐振腔具有双重作用，首先作为窄线宽梳状滤波器，与可调双波长滤波器一起选择系统的初始激光发射波长；其次作为非线性介质，产生级联四波混频效应，获得光频梳信号，并将光频梳信号输出至光分束器。

上述光分束器用于从上传/下载型微环谐振腔输出的光频梳信号中提取一部分能量作为整个系统的输出。

上述可调双波长滤波器与上传/下载型微环谐振腔共同选择初始的两个谐振波长作为产生光频梳的泵浦光的波长，同时用于调节两个初始谐振波长的间隔，从而调节光频梳的频率间隔。

基于上述基本技术方案，本发明还可作出如下优化：

上述光学放大器、光隔离器、偏振控制器、上传/下载型微环谐振腔、光分束器以及可调双波长滤波器由单模光纤依次串联形成闭合的光纤环形腔。

上述可调双波长滤波器具有两个可调的通带，且通带的中心波长、带宽及强度均可调节；其中，中心波长和带宽的调节用以保证有且只有两个波长的光波可以形成泵浦激光，强度调节用以均衡所形成的两个泵浦激光的强度，可通过调节通带波长来调节光频梳的频率间隔。

上述光学放大器可采用掺饵光学放大器或者高增益的半导体光放大器。

上述光学放大器也可由泵浦激光器、第一波分复用器、掺饵光纤和第二波分复用器通过单模光纤依次串联组成。

上述泵浦激光器可以有两个，分别与第一波分复用器和第二波分复用器相连。

上述偏振控制器有2个，其中第一偏振控制器位于光隔离器与上传/下载型微环谐振腔之间，第二偏振器位于多波长滤波器与光分束器之间。

上述光学放大器具有大于20dB的增益系数，同时其饱和输出功率大于100mW。

上述上传/下载型微环谐振腔具有高品质因子Q＞10⁵；上传/下载型微环谐振腔具有Input、Through、Drop和Add四个端口，且其所采用的波导材料具有多倍于SiO₂的非线性系数和负色散系数。

上述上传/下载型微环谐振腔具有高品质因子Q＞10⁵，以具备很强的光场增强能力。

本发明还提供了一种采用上述基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统产生光频梳的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

⑴设置可调双波长滤波器的中心波长和通带带宽，使可调双波长滤波器的两个通带的中心波长的间隔为上传/下载型微环谐振腔的自由光谱范围的M倍(M为整数)，每个通带的带宽为单个微环谐振腔自由光谱范围，从而选择出两个波长作为产生光频梳的两个泵浦光的波长；

⑵增加光学放大器的增益，由步骤(1)选定的两个波长的增益大于腔损时，形成双波长激光。

⑶调节偏振控制器，使上传/下载型微环谐振腔的一个模式振荡激射(TE模式或TM模式)，而另一个模式得到抑制；

⑷继续增加光学放大器的增益，在上传/下载型微环谐振腔中将产生级联四波混频效应，从而形成光频梳，并且光频梳的带宽或光谱线数量可随两个泵浦激光器泵浦功率的增加而增大；当泵浦功率增大到微环内光参量振荡的阈值，光参量振荡现象将产生，在输出端监控的光谱仪上可以看到，在泵浦光附近产生单倍微环谐振腔自由光谱范围的光频梳。

本发明的有益效果是：

1、光频梳的频率间隔自由可调

本发明采用可调双波长滤波器与上传/下载型微环谐振腔相结合的双泵浦技术，相对与传统单泵浦技术方案，无明显的阈值现象，可在较低泵浦功率下产生光频梳，并且产生的光频梳频率间隔能以微环谐振腔的自由光谱范围的整数倍自由调节(实验中已经实现近50倍自由光谱范围频率间隔的光频梳)。

2、消除了基于微环谐振腔的自终止现象

本发明将上传/下载型微环谐振腔嵌入到闭合的光纤环形腔中，作为光纤环形腔光纤激光器的一个组成部分，而上传/下载型微环谐振腔自身作为谐振波长选择器件，可使产生光频梳的泵浦光波长与上传/下载型微环谐振腔的波长一致，继而使整个系统能够自锁定，因此该光频梳系统对温度和振动具有很强的免疫能力，消除了传统外部谐振注入泵浦光产生光频梳时易出现自终止的问题。

3、操作简单，调节方便

光频梳的频率间隔通过可调滤波器进行调节，操作简单明了。

4、易于系统集成

本发明采用上传/下载型微环谐振腔作为系统的非线性介质，无需较长的非线性光纤，有利于系统集成，甚至可以片上集成，符合现代光学系统向小型化和集成化发展的趋势。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明一个具体优化方案的结构示意图；

图3为本发明采用的上传/下载型微环谐振腔的结构示意图；

图4为上传/下载型微环谐振腔的滤波特性实验测试图；

图5A为传统采用单泵浦时产生光频梳的原理示意图；

图5B为本发明采用双泵浦时产生光频梳的原理示意图；

图6A为输入微环谐振腔的泵浦光功率为-1dBm时的四波混频光谱图；

图6B为输入微环谐振腔的泵浦光功率为为10dBm时的四波混频光谱图；

图7A为实验得到6倍微环谐振腔自由谱范围的光频梳；

图7B为实验得到8倍微环谐振腔自由谱范围的光频梳；

图7C为实验得到20倍微环谐振腔自由谱范围的光频梳；

图7D为实验得到46倍微环谐振腔自由谱范围的光频梳；

其中，1-滤波器；2-光学放大器；21-第一泵浦激光器；22-第二泵浦激光器；23-第一波分复器；24-第二波分复器；25-掺饵光纤；3-光隔离器；4-偏振控制器；41-第一偏振控制器；42-第二偏振控制器；5-上传/下载型微环谐振腔；51-衬底；52-包层；53-第一直波导；54-第二直波导；55-环形波导；6-光分束器；7-单模光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

图1是本发明的结构原理示意图，如图所示，本发明所提供的基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统是由光学放大器2、光隔离器3、偏振控制器4(整个系统的偏振控制器可以有两个)、上传/下载型微环谐振腔5、光分束器6以及滤波器1(可调双波长滤波器)由单模光纤7串联形成闭合的光纤环形腔；另外，在光分束器6的一个输出端(即整个系统的输出端口)接有光谱仪用于监控所产生的光频梳。需要注意的是，图1给出的是本发明的一种串联方式，实际中，沿光纤环形腔内激光信号的传播路径来看，光分束器6须位于上传/下载型微环谐振腔5之后，即激光信号先经过上传/下载型微环谐振腔5，再经过光分束器6；而对其余光学组件的前后位置并没有特殊的要求。

上述各光学组件在本发明中的作用是：

光学放大器2为高增益的光学放大器(例如掺饵光学放大器或者高增益的半导体光放大器)，为光频梳的产生提供增益；光隔离器3用于保证激光信号在光纤环形腔内单向传输，形成单向的激光振荡输出；偏振控制器4用于调整光纤环形腔内激光信号的偏振状态，使入射到上传/下载型微环谐振腔5的激光信号的偏振状态与上传/下载型微环谐振腔5的TE模式或TM模式一致，保证整个系统单偏振状态运转；上传/下载型微环谐振腔5具有窄线宽梳状滤波器和非线性介质的双重功能，用于与滤波器1一起选择系统的初始激光发射波长，以产生级联四波混频效应，获得光频梳信号；光分束器6用于从上传/下载型微环谐振腔5输出的光频梳信号中提取一部分能量作为整个系统的输出；滤波器1与上传/下载型微环谐振腔8共同选择初始的两个谐振波长作为产生光频梳的泵浦光的波长，同时用于调节两个初始谐振波长的间隔，从而调节光频梳的频率间隔。

图2为本发明一个具体优化方案的结构示意图，如图所示，光学放大器2、光隔离器3、第一偏振控制器41、上传/下载型微环谐振腔5、光分束器6、第二偏振控制器42以及滤波器1由单模光纤7依次串联形成闭合的光纤环形腔。

其中，光学放大器2由第一泵浦激光器21、第一波分复用器23、掺饵光纤25、第二波分复用器24以及第二泵浦激光器22通过单模光纤7依次串联组成，为双波长激光振荡提供增益；这里，两个泵浦激光器通常选用980nm的高功率单模半导体激光器，两个波分复用器通常采用980nm/1550nm的波分复用器；

上传/下载型微环谐振腔5是一种由高非线性系数材料制作的具有弱负色散系数的高品质因子(Q＞10⁵)微环谐振腔，它具备很强的光场增强能力，同时具有梳状滤波特性，在泵浦光的作用下可产生级联四波混频形成光频梳；图3为上传/下载型微环谐振腔5的结构示意图，包括衬底51、包层52、第一直波导53、第二直波导54和环形波导55以及四个端口(Input、Through、Drop和Add)；第一直波导的两端分别为Input端口和Through端口，相应地，第二直波导54的两端分别为Drop端口和Add端口；

从光隔离器3中输出的激光信号从Input端口进入上传/下载型微环谐振腔5，满足谐振条件的光波将从Drop端口输出进入光分束器6，不满足谐振条件的光波由Through端口输出。

图4为上传/下载型微环谐振腔5的滤波特性曲线图，图中的两组等频率间距的频率线分别对应波导的TE模式和TM模式。可以通过更改入射到上传/下载型微环谐振腔5的光波的偏振状态选择其中的一组谱线，而抑制另一组偏振谱线。

基于上述优化方案，本发明还提供了一种产生光频梳的方法，该方法包括以下步骤：

⑴设置滤波器1的中心波长和通带带宽，使滤波器1的两个通带的中心波长的间隔为上传/下载型微环谐振腔5的自由光谱范围的任意整数倍，从而选择出两个波长作为产生光频梳的两个泵浦光的波长；

⑵增加光学放大器2的增益，由步骤⑴中的泵浦光形成激光；

⑶调节第一偏振控制器41和第二偏振控制器42，使上传/下载型微环谐振腔5的一个模式振荡激射(TE模式或TM模式)，而另一个模式得到抑制；

⑷继续增加光学放大器2的增益，在上传/下载型微环谐振腔5中将产生级联四波混频效应，从而形成光频梳，并且光频梳的带宽或光谱线数量可随两个泵浦激光器泵浦功率的增加而增大；当泵浦功率增大到微环内光参量振荡的阈值，光参量振荡现象将产生，在输出端监控的光谱仪上可以看到，在泵浦光附近产生单倍微环谐振腔自由光谱范围的光频梳。

使用本发明所提供的系统产生可调频率间隔的光频梳的具体原理和实验过程如下：

本发明提供的基于微环谐振腔的可调频率间隔光频梳产生系统是利用了上传/下载型微环谐振腔5内的级联四波混频效应。

在上传/下载型微环谐振腔5内有简并四波混频和非简并四波混频两种情况。图5A所示为采用传统单泵浦技术时产生光频梳的原理示意图，当只有一个波长的泵浦光时，在上传/下载型微环谐振腔5内发生简并四波混频，在泵浦光的两边产生系列边频，结合上传/下载型微环谐振腔5的梳状滤波特性，可形成单倍上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的梳状光谱。图5B为本发明所采用双波长泵浦技术产生光频梳的原理示意图，当采用双波长泵浦技术方案时，主要发生非简并四波混频，形成与两个泵浦光频率间隔相同的光频梳，而泵浦光的频率间隔可以以微环谐振腔5自由光谱范围的整数倍自由可调。

下面以10倍微环谐振腔自由光谱范围的光频梳为例(结合附图2)，详细介绍光频梳的具体形成过程：

实验中采用的上传/下载型微环谐振腔5采用高折射率差光子集成平台制作，其自由光谱范围为49GHz，其品质因子为1.45×10⁶；滤波器1采用可调双波长滤波器。

首先设置滤波器1的两个通带波长分别位于1563.5nm和1567.5nm，间隔约为上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的10倍，将其带宽都设置为0.4nm，约为一个自由光谱范围，保证在滤波器1的一个通带内只有一个谐振波长可以振荡形成激光；

其次调节第一泵浦激光器21和第二泵浦激光器22的驱动电流，逐步增大至980nm的泵浦功率，当光纤环形腔内的增益超过损耗时，由滤波器1选定的两个波长开始振荡激射，形成激光；

掺铒光纤25的模式竞争被上传/下载型微环谐振腔5内非线性作用所抑制，可以形成稳定的双波长激光输出。由于上传/下载型微环谐振腔5的巨大光场增强效应，随着前述双波长激光的稳定输出，两个四波混频边带也随之产生。图6A为上传/下载型微环谐振腔5输入端口的光功率达到-1dBm时的光谱图。进一步增大第一泵浦激光器21和第二泵浦激光器22的驱动电流，上传/下载型微环谐振腔5将产生级联的四波混频，形成梳状光谱。图6B为上传/下载型微环谐振腔5输入端口的光功率达到10dBm时的光谱图。随着注入上传/下载型微环谐振腔5的光功率的增大，光频梳的谱线数量也随之增多，当输入到上传/下载型微环谐振腔5输入端口的泵浦光功率达到20dBm时，可以得到带宽超过180nm的光频梳。此时上传/下载型微环谐振腔5的光场强度超过了由简并四波混频引起的光参量振荡阈值，在泵浦光附近形成单倍上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的梳状光谱。

通过改变滤波器1的两个通带的波长间隔，可以得到不同频率间隔的光频梳。如在实验中可以固定滤波器1的一个通带波长在1567.5nm，而以50GHz为单位依次调节另一个通带的中心波长，可以得到一系列不同频率间隔的光频梳。图7A为6倍上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的光频梳，图7B所示为8倍上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的光频梳，图7C为20倍上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的光频梳，图7D为46倍上传/下载型微环谐振腔5自由光谱范围的光频梳，从图7A～7D可看出，随着滤波器1的两个通带的中心波长的间隔逐渐增大，所产生的光频梳的频谱间隔也相应的增大。可见，采用本发明产生的光频梳，其频谱间隔的调节只需要更改滤波器1的两个中心波长的间距即可，非常易于操作。