CN101322290B - 光梳频率源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生光频率梳的方法和装置。在实施例中，无源锁模光波导梳使用电调谐或光调谐用于模式间隔频率(df)及载流子包络偏移频率(fceo)。本发明描述了无源锁模光波导梳频率源包括：具有光驱动器以及提供光梳的光输出的光腔；与所述光腔耦合的吸收元件以产生所述光梳；以及所述光腔中的光可控或电可控元件；其中，所述光可控或电可控元件具有光可控或电可控的折射率，所述折射率可以改变以改变所述光梳的模式间隔频率及载流子包络偏移频率的两者或两者之一。

Description

光梳频率源
技术领域
本发明涉及产生光频率梳的方法和设备。在实施例中，无源锁模(mode locked)光波导梳使用电调谐或光调谐用于模式间隔频率(df)及载流子包络偏移频率(fceo)。
背景技术
在本说明书中关注无源锁模的光梳频率源，所述光梳频率源不依赖外部RF源以维持锁模操作。所述的“光学”包括从万亿赫兹(超红外)至千万亿赫兹(超紫外)的频率。
锁模梳激光器可用于产生带有由激光脉冲重复频率定义的多个规则间隔频率模式的频率梳。锁模梳激光器可以是有源的(其中由外部RF射频源触发所述重复)或无源的(不需要这样的源)。无论何种方式，锁模梳激光器的输出是窄脉冲的周期序列，产生了相等间隔频率的梳。
相等间隔频率的梳可以使用下列等式表达：
fn＝n*df+fceo
其中，fn是频率梳的第n线的频率，n是较大的整数(可高达106)，df是模式之间的频率间隔，以及fceo是载流子包络偏移频率。载流子包络偏移频率可以通过考虑激光器内的群速度与相速度之间的差别而进行解释。
一般必须知道并且控制激光梳的两个自由度(即df和fceo)，以便正确地使用频率梳。通过改变激光器的有效光腔的长度来控制模式频率间隔。先前调谐模式频率间隔的方法包括热调谐和机械调谐，包括压电致动器或其它伸展或压缩装置。机械和热调谐的示例在以下论文中提供：Y.W.Song et al，IEE Photonics Technology Letters，13(2001)，pp 1167-1169及de Lima et al，proceedings of the 2001 SBMO/IEEEMTT-S International Microwave and Optoelectronics Conterence，(1)2001pp115-117。其他现有技术可在GB2381121中找到。然而，现有技术系统的问题包括响应时间、易受外部环境条件(如温度和振动)影响。
发明人已经认识到通过使用电或光可调谐元件可以改善响应时间、易受外部环境条件(如温度和振动)影响以及可靠性。
发明内容
因此，本发明描述了一种无源锁模光梳频率源，包括：一个或更多光腔，所述光腔包括光驱动器及输出；以及至少一个可控元件，用于控制所述光梳的一个或多个参数并与所述光腔直接或间接耦合，以产生所述光梳；其中例如所述可控元件是电可控或光可控的。可控元件可以在光腔内(可以是光环路)或例如通过环行器间接耦合。后一种情况下例如经由环行器有效地限定了腔体，使得在这种情况下也可以称为是在腔体内。在实施例中，可以存在多于一个的耦合光腔或回路。
可控元件可以是直接电学受控的，例如通过电接触的方法；或者可以是光学受控的，特别是通过配置包括耦合器的频率源以使得能够控制光注入以控制可控元件。控制光可以由激光器、发光二极管(LED)或其他光源提供，例在电学控制下。
优选地，可控元件具有光可变或电可变的折射率，以改变光梳的一个或更多参数。
因而，在本发明的第一方面中提供了一种无源锁模光梳频率源，包括：具有光学驱动器和光学输出以提供光梳的光腔；与所述光腔耦合的吸收元件以产生所述光梳；以及所述光腔中的光可控或电可控元件；其中，所述光可控或电可控元件具有光可控或电可控的折射率，使得所述折射率可该变以改变所述光梳的模式间隔和载流子包络偏移频率两者或两者之一。
可控元件可以直接或间接地在腔体内，例如经由环行器连接，在后一种情况下经由环行器有效限定了腔体(使得在这种情况下也可以称为是在腔体内)。因而，可控元件有效地限定了腔体的谐振频率。因而优选但不是必须地，所述光腔是光学谐振腔。
腔体可以包括光环路；在一些优选实施例中，可控元件包括可饱和吸收器。
因而，本发明所涉及的方面提供了一种无源锁模光梳频率源，包括：包括光学驱动器和输出的光环路；以及耦合到所述光环路的可饱和吸收器，用于产生所述光梳；其中所述可饱和吸收器是电可控的。
优选地，可饱和吸收器包括半导体光学器件，或者更具体地包括半导体光学腔，例如多量子阱腔。可以采用半导体激光器腔，尽管对于激射腔体的单程往返增益限制不是将这种腔体用作可饱和吸收器的限制。(在这种特定上下文中，本领域普通技术人员应该理解在更广泛的意义下使用所述腔体，因为所述半导体的半导体腔体一般不是谐振的，与光梳的(谐振)腔不同)。下文描述的频率源的实施例采用这种半导体激光器腔，并且同样地在所述半导体激光器腔的一端包括反射面或反射镜。然而，这是出于实际考虑(反射面很难在不损坏的情况下去除)，并且可能没有这种反射面的实施例事实上会工作地更好。
可选地，可饱和吸收器可以包括光学元件，所述光学元件包括掺杂的晶体材料，具体地是掺铬(离子)的晶体材料。所述晶体材料可以包括任何合适的材料，包括但不限于红宝石、石榴石、硅酸盐、锗酸盐、磷灰石、氟铝钙锂石或硫族化物。
在实施例中，可饱和吸收器(例如半导体光腔或器件)包括可控调谐元件，并且正是可饱和吸收器的这一特征使其成为电学(或光学)可调谐的，本质上所述吸收不必是可控的，即不必是电可控或其他可控的。在实施例中，可控调谐元件使地实现电调谐或光调谐以调节所述梳的中心波长。应该理解的是光梳不必在所述精确的梳中心具有输出频率。(可调谐元件改变了峰值波长，产生了将光梳沿频率轴移动的效应，改变了载流子包络偏移频率)。优选地，可调谐元件包括布拉格光栅，虽然也可以采用其他频率选择性元件。优选地，腔体也包括可控相移元件，用于调节调整梳的模式间隔(通过调节源脉冲重复频率)。
在优选实施例中，半导体光学腔包括增益部分，将所述增益部分偏置以提供光吸收；因此优选地，所述频率源包括驱动器，用于将腔的这一部分偏置为吸收。如前所述，吸收不必是可控的，即不必是电可控或其他可控的。典型地，将半导体光腔的增益部分反向(负)偏置，虽然在实施例中甚至可以利用较小的正向偏置来提供光学吸收。
由于锁模光梳频率源是无源的而非有源的，优选地，将偏置施加于增益部分以以提供实质上连续的吸收。
在实施例中，对光频率梳另外的控制可以通过控制所述光学驱动器来提供，例如通过控制用于半导体激光器光学驱动器的源或驱动器用于所述梳频率源。因而这样的泵浦激光器可以是电学受控(通过控制泵的电源)或光学受控的，例如通过配置包括耦合器的系统以控制光注入以控制所述泵。控制光可以由激光器、发光二极管(LED)或其他光源提供，例如在电学控制下。
本发明还提供了一种光子集成电路(PIC)，配置用于实现光梳频率源，所述PIC包括：用于接收泵浦信号的光输入；用于提供光梳输出信号的光输出；与所述光输入和所述光输出耦合的光腔，所述光腔包括增益介质；以及与所述光腔相耦合的控制模块，用于控制所述光梳的梳间隔和载流子包络偏移频率的两者或两者之一。
在一些优选实施例中，光子集成电路(PIC)包括光耦合器(复用器/解复用器)，具有与光学输入和输出的第一和第二连接以及组合的光连接以携带泵浦信号和光梳输出信号的组合。这可以在波长选择性光耦合器上实现。优选地，所述控制模块包括至少一个光可控或电可控的光学元件，优选地包括吸收器、相位控制元件以及可控频率选择元件中的一种或多种。这种元件的控制可通过直接电控制或远程控制的以实现光学控制。在后一种情况中，光控输入可以配置用于将控制光耦合至控制模块。按照这种方式，所述梳的参数可以是光学可调的。
在实施例中，光腔包括波导，所述波导在增益介质(在穿过该器件的光路上)的任一侧具有反射元件或反射镜，所述反射镜之一由控制模块形成，优选地是控制模块中的可调光栅。可选地，该可调谐光栅可跟随有抗反射元件以减少不希望的反射。
在实施例中，PIC可以包括泵浦信源，例如通过公共衬底上的混合集成耦合至光学输入。然后可以通过控制所述泵源来调节载流子包络偏移频率。优选地但不是必要地，所述泵浦信号源包括激光器。优选地，所述PIC使用芯片上的波导技术实现，特别是用于上述元件之间的连接以及用于增益部分。
本发明的另一个方面提供了一种光梳频率源，包括：光腔或光环路，包括光学驱动器和输出；以及耦合到所述光腔或光环路的可饱和吸收器，用于产生所述光梳；其中，所述可饱和吸收器包括半导体光腔，所述半导体光腔包括光学相位控制区域和光学滤波器区域的两者或两者之一，所述相位控制区域和所述的光滤波器区域的至少其一包括用于控制所述光梳的一个或更多参数的电学连接。
如上所述，所述频率源可以包括多于一个光腔，并且所述可饱和吸收器可以直接耦合(在腔体内)或间接耦合(例如经由环行器)。
在实施例中，光学相位控制区域控制半导体光腔的有效长度。优选地，所述腔体包括一对高反射元件；这种元件可按照用于半导体激光二极管激光器的传统方法制作，使用本领域普通技术人员所公知的技术。优选地，这些元件之一包括布拉格光栅(在实施例中用作反射滤波器)。
本发明还提供了一种光梳频率源，包括：第一电可控或光可控系统，以控制所述梳的间隔；以及第二电可控或光可控系统，以控制所述梳的频率。
本发明还提供了一种控制方法，用于控制无源锁模光梳频率源中的梳间隔和梳中心频率两者或两者之一，所述控制方法包括：电学或光学地控制所述频率源的半导体光腔可饱和吸收器(或半导体光学器件可饱和吸收器)。
本发明另外的方面提供了一种锁模梳激光器，具有固态器件以提供以下两者或两者之一：电可调或光可调谐的模式频率间隔；以及电可调或光可调节载流子包络偏移频率。
本发明还提供了一种RF频率下转换系统，包括：光梳发生器，用于提供光梳；第二光频率源，用于提供一对光频率；耦合器，用于将所述梳发生器的输出和所述第二光频率源的输出相结合；非线性光学元件，具有对第一光电换能器的输出，以提供依赖于所述梳发生器的输出与所述第二频率源的输出之间的非线性相互作用的电信号；以及光输出，耦合至第二光电换能器以提供RF输出；其中所述梳发生器配置为通过所述电信号进行控制；其中所述非线性光学元件沿着光传播穿过所述系统的方向在所述耦合器之后。
本发明还提供了一种RF频率下转换系统，包括：光梳发生器，用于提供光梳；第二光频率源，用于提供一对光频率；耦合器，用于将所述梳发生器的输出和所述第二光频率源的输出相结合；非线性光元件，用于提供依赖于所述梳发生器与所述第二频率源的输出之间的非线性相互作用的电信号；以及光输出，耦合至第二光电换能器以提供RF输出；其中所述的梳发生器配置为通过所述电信号进行控制；其中所述第二光频率源包括气体；其中所述一对光频率包括第一和第二频率，分别位于所述气体的第一和第二吸收凹陷(absorption dip)处，所述第一和第二频率彼此不互为谐波关系。
附图说明
现在参照附图，仅作为示例来描述本发明的上述和其他方面，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的光梳频率源的第一示例；
图2示出了根据本发明的实施例的光梳频率源的第二示例；
图3示出了根据本发明的实施例的光梳频率源的第三示例；
图4示出了根据本发明的实施例的光梳频率源的第四示例；
图5a和5b示出了图1至图4的光梳频率源的可能进行的修改，以使所述源光学可调，分别示出了将控制光注入到光泵的结构以及将控制光注入到光梳发生器控制装置的结构；以及
图6示出了根据本发明的实施例的光梳频率源在频率下转换系统中的示例应用，例如用于度量衡中。
图中，报号元件说明如下：
1.触点1(增益部分)连接至源1a。
1a.增益部分驱动器(电压或电流)，按照这样地方式偏置所述增益部分(例如使用负或反向偏置)以提供光损耗/光吸收。要求这种可保和吸收，以通过增加短脉冲的净增益并且减小CW(连续波)操作的净增益来对谐振腔进行锁模。
2.触点2(相位段)连接至源2a。
2a.相位部分驱动器(电压或电流)，用于调节有效腔长。这可以用于改变梳的模式间隔(df)。
2b.相位部分驱动器(电压或电流)；在该变体中将这种激励信号保持恒定。
3.触点3(光栅部分)连接至源3a。
3a.光栅部分驱动器(电压或电流)，用于调节光栅波长，调节该部分改变了光栅反射率波长。这可用于改变模式间隔(df)和/或梳中心波长(载流子包络偏移频率)。
3b.光栅部分驱动器(电压或电流)，将该激励信号保持恒定。
一个或多个元件1、2、3可作为单片电路半导体器件或元件的一部分，例如作为可调谐激光器元件的一部分。可选地(次优选地)，其可以是分立元件，可选地(仍是次优选地)，设置在谐振腔内的不同位置。
4.输出端口(即梳输出)
5.偏振控制器(允许调节偏振状态，例如通过光纤的机械调节)，这是锁模所要求的。
6.增益材料部分(示例包括掺杂有诸如铒、镱或铥之类的稀土元素离子的光纤或平面光波导。
7.波长相关复用器/耦合器，用于将光泵耦合入谐振腔中。
8.微透镜，用于改善从波导到控制器件的耦合。
9.AR(抗反射)涂层(用于抑制没有反射回腔内的波长处的反射)
9a.反射面(与所采用的可调谐激光器部件一起提供，是可选的，并且没有它性能可能改善)
10.环行器
12.泵浦激光器(示例包括980nm或1480nm激光二极管)。
12a.用于泵浦激光器(电流或电压驱动器)的电学驱动器(电源)，所述源驱动器也用于调节载流子包络偏移频率(fceo)。
12b.用于泵浦激光器(电流或电压驱动器)的电学驱动器(电源)，所述源驱动器保持恒定。
14.波导，例如光纤或平面光波导，如果需要，该波导可具有负色散特性用于脉冲压缩目的。该脉冲压缩可用于增加梳间隔。
15.耦合器，用于耦合所述谐振腔的光输出。
16.光隔离器
17.电介质镜
18.耦合器，用于将光注入光泵浦源。
19.光输入，用于控制fceo。
20.耦合器，用于将光注入到光梳控制器件。
21.光输入，用于控制df和/或梳中心波长。
元件1a、1b、1c和12a每个均可以包括可变电源；元件12b可以包括固定电源。
具体实施方式
首先参照图1。图1中考虑的电学可调谐元件是基于电学可调谐布拉格光栅及电学可调谐相位部分。在优选实施例中，可饱和吸收器包括半导体激光器腔体的负偏置增益部分。在实施例中，该腔体具有三个部分(1-3)，如图所示。用于锁模的可饱和吸收器(部分1，由图1中的源1a控制)可通过使用附加的环行器集成在调谐元件中或分离出来。部分1的偏置相对地电位为负，以提供(可控的)吸收。
剩余的部分用于腔长(部分2，由源2a控制)的精细调谐以及用于调谐中心输出波长(部分3，由源3a控制)。精细调谐(源2a)也可用于防止“模式跳跃”。载流子偏移频率可通过改变泵浦激光器(12)的电流(触点12a)来调节。(图3中所示的元件1、2、3相对于经由环行器的入射光的顺序可以相反(尽管与图中所示结构相比为次优选))。
部分1、2、3的示例详情如下：
增益部分：半导体光学材料(例如InGaAsP、GaAs或InP)在相应波长具有光增益(或光吸收)。光增益由电学激励载流子进入更高能级状态而提供。该吸收进行例如实验性地调节，使得频率源发出脉冲。
相位部分：半导体光学材料(例如InGaAsP、GaAs或InP)具有电学(或光学)可调谐的折射率。电学(或光学)引起的折射率的变化改变了有效光学长度。
光栅部分：半导体光材料(例如InGaAsP、GaAs或InP)具有电学可调谐的折射率，与诸如布拉格光栅之类的频率选择性元件相结合。电学(或光学)引起的折射率的变化改变了频率选择性元件的有效频率。
源(12a)为泵浦激光器(12)供电，所述泵浦激光器用于激发掺杂波导部分(6)中的稀土离子。由受激离子提供的光增益用于建立光场。所述光场达不到CW(连续波)激射条件，因为可饱和吸收器(1)防止了这种条件的建立；而使系统发出脉冲。如果需要，产生的短脉冲可使用负色散特性波导(14)进一步在时间上压缩。脉冲性能和建立的稳定性可通过结合环行器中的隔离器和/或后面的激光器12来改善，以防止不希望的反馈(图1中未示出)。
现在参照图2。图2中所示的光梳发生器特别适合与使用“硅上的硅石”获取其他类型集成技术的单片集成或混合集成，特别是光子集成电路技术。较少的部件数量和(优选的)不使用机械部件(例如偏振控制器)也适合于低成本光学组件。元件4、来自12、7、17、6和8(当8存在时)的输入可以在单个衬底上实现；在混合设备中，泵浦激光器12和控制模块1、2、3两者或两者之一也可以在衬底上提供。虽然在实施例中，该器件可以完全是固态的，在变体中所述可控频率选择性元件可以使用基于MEMS(微机电系统)的可调节光栅而实现，例如使用基于MEMS的微机械致动器以调节小光栅的倾角。
现在参照图3(图1的变体)。图3中所示的光梳发生器(基于图8类型的布局)可以用于产生非常窄的脉冲。这些窄脉冲产生具有非常宽的频率跨度的光梳，因此所示梳不再需要“梳扩张器”用于增加梳线的数量。
现在参照图4(图1的变体，具有与图3类似的结构)。图4所示的光梳发生器(基于图8类型的布局)可用于产生非常窄的脉冲。这些窄脉冲产生具有非常宽的频率跨度的光梳，因此所示梳不再需要“梳扩张器”用于增加梳线的数量。半导体控制元件已经从光环路之一中去除，因此对于脉冲展宽不再有贡献。这产生了具有甚至更窄的脉冲输出/更宽的梳跨度的输出。
现在参照图5，示出了光梳发生器的光调谐的细节。
图5a示出了将控制光注入到光泵浦源中改变了该器件内的载流子浓度。载流子浓度的变化将改变光泵浦源的输出功率，因此可用于调谐载流子包络偏移频率(fceo)。
图5b示出了将控制光注入到光梳发生器控制装置中改变了该器件内的载流子浓度。载流子浓度变化引起的折射率的相关联变化将改变有效光路长度和布拉格反射波长。因此可以将该控制光可以用于调谐模式间隔(df)和/或梳中心波长。
图6示出了光频率梳发生器在度量衡中使用的实际示例应用，其中光梳用于下转换。系统的输出是锁定为频率标准(分量1)的RF信号。
频率标准的频率可以非常高(至THz或甚至PHz范围)。在频率下转换过程期间保持了该频率标准的稳定性、精确度及相位噪声特性。
图6中分量的描述：
1.频率标准，具有2个不同频率的输出(f1和f2)：
此频率标准的示例包括激光器，所述激光器锁定至诸如碘、一氧化碳、乙炔、甲烷、氰化氢(和许多其他气体)之类的气体中的吸收凹陷(absorption dips)。该标准的第二频率可以是第一频率的谐波频率，或者可选地是相同气体中的第二吸收倾斜。
可选地，该频率标准也可以是基于诸如锶、钙或汞之类的单个捕获离子或原子。
在以上两种情况下，频率标准的谐波可以使用谐波发生晶体，例如如(周期性电极的)KTP或LiNb晶体产生。
2.用于df频率控制的电路。该电路(使用滤波器)将df频率隔离，并且产生与df的频率(或相位)成比例的控制信号。该控制信号用于驱动光频率梳发生器并且用于将梳线之一锁定在频率f2.
3.光电换能器(如光电二极管)，该元件也用作非线性元件，用于获得光输入信号的混合产物(即“拍项(beat term)”)。
4.固态可调谐频率梳发生器(如本专利其他地方所描述的)，载流子包络偏移频率(fceo)及模式间隔频率(df)均是可调节的。该发生器的输出是光梳。
5.光合并器(combiner)/光耦合器
6.非线性梳扩展元件，用于增加梳线的数量，使得梳现在可以覆盖光标准的第一频率(f1)，如图6a所示。线性梳扩展元件的示例包括微结构光纤、光子晶体光纤或诸如KTP或LiNb之类(周期性电极的)非线性光晶体。
7.用于fceo频率控制的电路。该电路(使用滤波器)将fceo频率隔离，并且产生与df的频率(或相位)成比例的控制信号。该控制信号用于驱动光频率梳发生器并将梳线之一锁定在频率f1。
8.RF上转换器或下转换器，该电路用于增大或减小RF输出频率。
操作原理如下所述：使用连续地调节输入梳参数(df和fceo)反馈回路，光梳发生器的两条不同的梳线锁定至两个标准的光学分量(f1和f2)。梳间隔频率(df)可直接使用作RF输出，可选地，RF上转换器或下转换器(组件8)可用于改变RF输出频率。
所述频率梳发生器的实施例可应用的范围包括但不限于：时间生成系统、度量衡、频率下转换、生物医学成像，例如光学相干X线断层摄影术、以及电信例如WDM(波分复用)波长源。
如果需要，频率梳可使用非线性材料来展宽，例如微结构光纤、光子晶体光纤或诸如KTP或LiNb之类的(周期性电极的)非线性光晶体。
毫无疑问，对本领域普通技术人员而言会出现许多其他有效的选择。应该理解的是本发明不局限于所述实施例，并且涵盖在所附权利要求所限定的精神和范围内对本领域普通技术人员而言显而易见的修改。

Claims (8)

1.一种无源锁模光梳频率源，包括：
光腔，具有光驱动器和提供光梳的光输出；
吸收元件，与所述光腔耦合，用于产生所述光梳；以及
所述光腔中的光可控或电可控元件；
其中，所述光可控或电可控元件具有光可控或电可控的折射率，使得所述折射率是可变的以改变所述光梳的模式间隔和载流子包络偏移频率两者或两者之一；
所述光可控或电可控元件包括至少一个半导体光学器件；
所述半导体光学器件包括电可控或光可控的调谐元件，用于调节所述梳的中心波长。
2.一种无源锁模光梳频率源，包括：
包括光驱动器和输出的光环路；以及
耦合到所述光环路的可饱和吸收器，用于产生所述光梳；
其中，所述可饱和吸收器是电可控或光可控的；
所述可饱和吸收器包括半导体光腔；
所述半导体光腔包括电可控或光可控的调谐元件，用于调节所述梳的中心波长。
3.如权利要求1或2所述的光梳频率源，其中，所述电可控或光可控的调谐元件包括布拉格光栅。
4.如权利要求1或2中任一项所述的光梳频率源，其中，所述半导体光学器件或半导体光腔包括电可控或光可控的相移元件，用于调节所述梳的模式间隔。
5.如权利要求1或2中任一项所述的光梳频率源，其中，所述半导体光学器件或半导体光腔包括增益部分，并且所述频率源还包括增益部分驱动器，用于将所述增益部分偏置至光吸收。
6.如权利要求5所述的光梳频率源，其中，所述增益部分驱动器配置用于将所述增益部分偏置至连续的光吸收。
7.如权利要求1或2所述的光梳频率源，其中，所述光驱动器是可控的，用于控制所述光频率梳。
8.一种频率下转换系统，包括如权利要求1至7中任一项所述的光梳频率源。
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