CN107863676B - 基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法 - Google Patents
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Abstract
针对微波光子学、天文光谱测量及并行光纤通信系统对高频率间隔光频梳源的需求，特别是可实现片上集成的光频梳源的需求，本发明提供了一种基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法，系统包括通过单模光纤依次连接的泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器和光频梳发生器和温度控制器；泵浦激光器输出波长与所需产生的光频梳波长一致，光学放大器工作波长与泵浦激光器输出波长一致；偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器封装在封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在封装壳体外与温度调节器相连的温度控制器控制。本发明成本低，可靠性高，体积小。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光学微腔的光频梳产生系统与方法，具体涉及一种基于光学微腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法。
背景技术
光时域孤子(简称光孤子)是一种光学脉冲信号，光孤子在光学介质的色散效应被非线性效应所补偿，同时光孤子的增益和传输损耗相均衡，因此光孤子在传输过程状态将保持不变，具有极为优良的光学性能，是光学研究的一个热点。其中基于微腔的光孤子产生技术是近年来随着微腔光频梳的发展而发展起来的一项技术，是微腔光频梳的一种特殊形式，是微腔光频梳的一种低噪声态，是最具有实用价值的一种微腔光频梳，因此光孤子频梳成为微腔光频梳研究的一个重点。微腔光孤子具有极高的重频，通常为数十吉赫兹到太赫兹，在频域上，各频率成分的间隔较大，易于控制光频梳的各个梳齿(波长)，因此在并行光通信系统、光任意波形产生及光子微波技术领域有着极为重要的应用前景。
微腔光孤子需要外部连续光进行泵浦，所使用的泵浦源通常为快速扫频的窄线宽激光器，此类激光器通常使用机械部件或压电陶瓷改变激光腔的长度，进而调节激光器的发射波长，因此为实现快速扫频，对激光器的控制有很高的要求。窄线宽激光器通常由两部分组成，一是光学谐振腔部分，另一个是激光器的控制部分；激光器的体积通常较大，并且成本极为昂贵，不利于微腔光孤子产生系统的小型化和规模应用。
微腔光孤子的产生通常需要将泵浦光调节到微腔谐振频率的红移处，此时的腔内光场能量远小于泵浦与微腔谐振波长相重合时的能量，由于微腔中的热光效应，需要采用复杂的实验技术使泵浦光稳定在微腔谐振频率的红移处。目前常用的实验方法包括泵浦波长快速扫描法和“功率调节”方法，前者除了需要快速频率扫描激光器，并且对微腔的性能提出苛刻的要求，而后者需要声光/电光调制器和复杂控制时序，因此不利于微腔光孤子频梳的小型化集成和成本降低，从而不利于微腔光频梳的实际规模应用。
基于微腔的光孤子晶体是微腔光孤子的一种特殊形式，在微腔中形成紧密排列的光孤子序列，在光孤子序列中可能存在各种缺陷(类比于固态晶体的晶格排列结构)。形成光孤子晶体状态时泵浦光具有极小的失谐量，此时微腔内的光场能量下降不是很明显，因此无需复杂的实验技术即可稳定实现微腔光孤子晶体的产生。而目前报道的光孤子晶体仍是采用泵浦波长扫描方法，无法实现小型化和低成本。因此，为了使微腔光频梳的应用得到推广，亟需小型化封装、低成本的微腔光频梳系统。
发明内容
针对微波光子学、天文光谱测量及并行光纤通信系统对高频率间隔光频梳源的需求，特别是可实现片上集成的光频梳源的需求，本发明提供了一种基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法，其产生的光频梳信号具有极低的噪声，并且该光频梳系统无需复杂的控制系统、体积小、操作容易、环境稳定性好。
本发明的技术方案是：
基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，包括泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器和光频梳发生器；其特殊之处在于：
还包括温度控制器；
所述泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器、光频梳发生器和温度控制器通过单模光纤依次连接；
所述泵浦激光器的输出波长与所需产生的光频梳的波长一致，所述光学放大器的工作波长与所述泵浦激光器的输出波长一致；
所述偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；
所述光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器被封装在所述封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在所述封装壳体外的与所述温度调节器相连的温度控制器进行控制。
进一步地，上述泵浦激光器为频率稳定、发射功率可调节的半导体窄线宽激光器，或者为频率稳定的窄线宽光纤激光器。
进一步地，上述微环谐振腔为上下话路型微环谐振腔，包括衬底、包层、第一直波导、第二直波导和环形波导；所述环形波导分别与第一直波导和第二直波导通过倏逝波进行耦合；所述第一直波导和第二直波导排列在环形波导两侧；所述第一直波导的两端分别为Input端口和Through端口；所述第二直波导的两端分别为Drop端口和Add端口；泵浦光信号从所述Input端口进入微环谐振腔，满足微环谐振腔谐振条件的频率从所述Drop端口输出，未完全耦合的泵浦光从所述Through端口输出。
进一步地，上述微环谐振腔为直通型微环谐振腔，包括衬底、包层、直波导和环形波导；所述环形波导与直波导通过倏逝波进行耦合；所述直波导的两端分别为Input端口和Through端口；泵浦光信号从Input端口进入微环谐振腔，产生的光频梳信号和未完全耦合的泵浦光从Through端口输出。
进一步地，上述光学放大器为光纤放大器，或者为拉曼光纤放大器。
进一步地，上述偏振控制器为光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器。
进一步地，上述温度调节器为半导体制冷器或者表面金属加热器。
进一步地，上述温度控制器为与温度调节器相适配的半导体制冷器控制器或电流控制器。
本发明还提供了利用上述基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统的光孤子晶体光频梳产生方法，包括以下步骤：
1)打开泵浦激光器，设置其输出波长和功率；
2)打开光学放大器，调节其输出功率；
3)调节偏振控制器，使泵浦光的偏振态与微环谐振腔的一个偏振模式相一致；
4)增大温度控制器的设置温度，使微环谐振腔的工作温度逐步上升，监控从微环谐振腔输出的光功率和光谱，直至微环谐振腔的一个谐振峰扫过泵浦光并落在谐振峰的蓝移处；
5)缓慢降低温度控制器的设置温度，泵浦光从谐振峰的蓝移方向进入微环谐振腔中，随着微环谐振腔中泵浦光功率逐步增大，依次得到图灵光频梳、调制不稳定性光频梳和光孤子晶体光频梳。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明采用温度控制的方法产生光孤子晶体频梳，由于温度控制技术已经非常成熟，并大量应用于工业领域，因此该方法有助于本发明系统与现有技术的无缝连接和快速推广。
2、本发明采用固定波长的激光器作为微环谐振腔的泵浦源，相对于传统的快速扫频激光器，其成本更低，系统可靠性更高，更重要的是，系统的体积更小，有助于系统的小型化集成。
3、本发明的光孤子晶体频梳系统，具有良好的温度稳定性，在实验室环境中无自失锁现象发生，展现出其优良的系统健壮性；同时该系统还可以通过温度调节实现孤子晶体频梳与调制不稳定频梳的来回切换。
4、本发明的光孤子晶体频梳系统，对泵浦光功率的波动具有很强的免疫能力，并且可以通过泵浦功率的增加或减小实现孤子晶体频梳与调制不稳定频梳的来回切换。
5、本发明的光孤子晶体频梳系统结构简单、易于小型化集成、成本低、调试方法简单。
6、本发明使用的器件都是通用的光纤器件或电子器件，已经商业化或技术已经相对成熟，有利于后期的快速推广。
7、本发明将光学微环谐振腔封装在一个小型的壳体内，有助于器件工作环境的控制，对系统的稳定性提供了可靠的保证。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明实施例采用的直通型微环谐振腔的结构示意图；
图3为本发明实施例采用的上下话路型微环谐振腔的结构示意图；
图4为本发明实施例实验测得的微环谐振腔内光功率随温度调节时间变化的波形图；
图5为本发明实施例实验测得的基于微环谐振腔的光频梳演化图，图5中：(a)为图灵光频梳的光谱图；(b)为图灵光频梳在49GHz处的频谱图；(c)为调制不稳定性光频梳的光谱图；(d)为调制不稳定性光频梳在49GHz处的频谱图；(e)为单个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图；(f)为单个缺位的光孤子晶体光频梳在49GHz处的频谱图；
图6为本发明实施例实验测得的光孤子晶体光频梳的光谱图及相应的仿真时序图，图6中：a为理想光子晶体光频梳的光谱图和时序图；b为单个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；c为连续两个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；d为两个缺位间隔一个光孤子的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；e为两个缺位间隔两个光孤子的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；f为两个缺位间隔三个光孤子的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；g为两个缺位间隔四个光孤子的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；h为两个缺位间隔八个光孤子的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；i为两个缺位间隔十六个光孤子的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；j为连续三个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；k为四个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；l为不规则光孤子晶体光频梳的光谱图和时序图；
附图标记如下：
1-泵浦激光器；2-光学放大器；3-偏振控制器；4-光频梳发生器；41-封装壳体；42-微环谐振腔；421-衬底；422-包层；423、424-直波导；425-环形波导；426-Input端口；427-Through端口；428-Add端口；429-Drop端口；43-温度调节器；5-温度控制器；6-单模光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
参见图1-3，本发明所提供的光孤子晶体光频梳产生系统，包括通过单模光纤6依次连接的泵浦激光器1、光学放大器2、偏振控制器3、光频梳发生器4和一个温度控制器5。
在本实施例中，泵浦激光器1采用发射功率可调节的单频半导体激光器，其线宽为100kHz，输出波长为1556.3nm，输出波长与系统产生光频梳的波长一致；在其他实施例中，泵浦激光器1也可采用频率稳定的窄线宽光纤激光器。光学放大器2采用高功率的掺铒光纤放大器，光纤类型为单模光纤，其输出功率最大可以达到5W，工作波长与泵浦激光器1的输出波长相一致，并具有较低的噪声系数和放大窄线宽光信号能力；在其他实施例中，光学放大器2也可采用拉曼光纤放大器，或者采用自行搭建的光纤放大器(包括泵浦源、增益光纤、波分复用器等器件)。偏振控制器3为三环型光纤偏振控制器，可承受10W以上的光功率；在其他实施例中，偏振控制器3也可采用能承受泵浦光信号功率能力的玻片型偏振控制器。
光频梳发生器4由封装壳体41、微环谐振腔42和温度调节器43三部分组成：其中封装壳体41采用标准的14引脚蝶形封装结构，也可采用其他可以封装和支撑的壳体；温度调节器43采用市场现有的半导体制冷器与热敏电阻器构成，或者采用电阻丝加热器与热敏电阻器构成；微环谐振腔42和温度调节器43被封装在所述封装壳体41中，温度控制器5设置在所述封装壳体41外并与温度调节器43相连，微环谐振腔的工作温度通过外接的所述温度控制器5进行控制；微环谐振腔42采用上下话路型的微环谐振腔(如图3所示)；温度控制器5采用通用的半导体制冷器温度控制器；系统产生的光频梳从微环谐振腔的Drop端口输出。在其他实施例中，微环谐振腔42也可采用直通型微环谐振腔(如图2所示)，包括衬底421、包层422、直波导423和环形波导425；环形波导425与直波导423通过倏逝波进行耦合，它们之间的间距直接影响耦合的强度，进而决定微环谐振腔42的品质因子；直波导423的两端分别为Input端口426和Through端口427；泵浦光信号从Input端口426进入微环谐振腔42，产生的光频梳信号和微环谐振腔42中未完全耦合的泵浦光从Through端口427输出。
微环谐振腔42为本发明的核心器件，由高折射率差光子集成平台制作而成，该平台采用CMOS兼容的半导体工艺，易于大规模生产。由高折射率差光子集成平台制作的波导具有高非线性系数，并且具有负色散特性。本实施例上下话路型的微环谐振腔42为四端口微环谐振腔，其结构如图3所示，包括衬底421、包层422、直波导423、直波导424、环形波导425；环形波导425分别与直波导423和直波导424通过倏逝波进行耦合，直波导423和直波导424对称分布在环形波导425两侧且相互平行，环形波导425分别与直波导423和直波导424通过倏逝波进行耦合；直波导423的两端分别为Input端口426和Through端口427，直波导424的两端分别为Drop端口429和Add端口428。光信号从Input端口426进入微环谐振腔42，满足微环谐振腔42谐振条件的频率从Drop端口429输出，未能完全耦合进入微环谐振腔42的部分从Through端口427输出。
上述各组成部分在本发明系统中的作用是：
泵浦激光器1为泵浦光提供种子源，为窄线宽单频激光器，其输出波长与产生光频梳的频段一致；其输出功率可以调节，使其输出功率与光学放大器2所要求的输入功率相匹配。
光学放大器2为光孤子晶体光频梳的产生提供足够强的泵浦光信号。
偏振控制器3用于调整入射到微环谐振腔42的泵浦光的偏振态，使泵浦光的偏振态与微环谐振腔的其中一个偏振模式相一致。
光频梳发生器4用于产生光频梳：封装壳体41作为微环谐振腔42及温度调节器43的支撑体，同时隔离外部环境对微环谐振腔42的影响；温度调节器43用于调节微环谐振腔42的温度，进而调节微环谐振腔42的谐振频率，使谐振频率与泵浦光相重叠，从而产生光频梳。微环谐振腔42为高品质因子的微环谐振腔，具有窄线宽梳状滤波器的功能，用于决定产生光频梳的频率间隔；同时微环谐振腔42也是产生光频梳的非线性介质，利用微环谐振腔42的调制不稳定性或四波混频效应，产生光频梳信号。为降低光频梳产生所需的泵浦功率，要求微环谐振腔42具有超高的品质因子，通常大于106。
上述光孤子晶体光频梳产生系统的工作过程如下：
第一步，打开泵浦激光器1，设置泵浦激光器1的输出功率，等待激光器的输出稳定；
第二步，打开光学放大器2，并设置光学放大器2的输出功率，本实施例中设置到1.8—3W之间，并等待光放大器2的输出稳定；
第三步，调节偏振控制器3，使从光学放大器2输出的泵浦光的偏振态与微环谐振腔42的一个模式相一致；
第四步，调节温度控制器5，使微环谐振腔42的工作温度逐步上升，并监控从微环谐振腔42输出的光功率和光谱，直到微环谐振腔42的一个谐振峰扫过泵浦光并落在谐振峰的蓝移处，此时反向调节温度控制器5的设置温度，即缓慢降低温度控制器5的设置温度，并观察从微环谐振腔42输出光信号的光功率和光谱；随着微环谐振腔42工作温度的降低，微环谐振腔42的谐振峰将向高频方向移动，泵浦光将从谐振峰的蓝移方向进入微环谐振腔的谐振峰；由于微环谐振腔中的热光效应，泵浦光在谐振峰的蓝移处时将处于热稳态，随着温度的降低，微环谐振腔中的泵浦光功率将持续上升；参见图4(图4体现了光孤子晶体产生时光功率的变化情况，因此可以根据光功率的变化判断光频梳进入了光孤子状态)和图5，随着微环谐振腔42中泵浦光的增加，在微环谐振腔42内依次产生图灵光频梳【如图5中(a)、(b)所示】、调制不稳定光频梳【如图5中(c)、(d)所示】和光孤子晶体频梳【如图5中(e)、(f)所示】，由该方法得到的光孤子晶体频梳具有很好的热稳定性，同时所产生光孤子晶体频梳具有不同的形态，如图6中a～l所示，这些形态可以应用于不同的应用场景，为片上光信息存储提供了选择；此外，为研究光孤子间的相互作用提供了新的途径。而对于上下话路型的微环谐振腔，所产生的光频梳从微环谐振腔的Drop端口输出，此时泵浦光能够得到很好的抑制。
综上所述，本发明提出的光孤子晶体光频梳产生系统，解决了现有光频梳产生系统对快速扫频窄线宽激光器的依赖问题，通过低成本的热调解决方法，操作简单方便，系统稳定性高体积小，有助于实现光频梳产生系统的低成本集成和快速应用推广。此外，该系统在未来超高速光通信系统、微波光子学、光模数转换等领域具有广泛的应用前景。
Claims (8)
1.基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，所使用的光孤子晶体光频梳产生系统，包括泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器、温度控制器和光频梳发生器，所述泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器、光频梳发生器和温度控制器通过单模光纤依次连接；所述偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；所述光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器被封装在所述封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在所述封装壳体外与所述温度调节器相连的温度控制器进行控制；其特征在于，包括以下步骤：
1)打开泵浦激光器，设置其输出波长和功率；所述泵浦激光器的输出波长与所需产生的光频梳的波长一致，所述光学放大器的工作波长与所述泵浦激光器的输出波长一致；
2)打开光学放大器，调节其输出功率；
3)调节偏振控制器，使泵浦光的偏振态与微环谐振腔的一个偏振模式相一致；
4)增大温度控制器的设置温度，使微环谐振腔的工作温度逐步上升，监控从微环谐振腔输出的光功率和光谱，直至微环谐振腔的一个谐振峰扫过泵浦光并落在谐振峰的蓝移处；
5)缓慢降低温度控制器的设置温度，泵浦光从谐振峰的蓝移方向进入微环谐振腔中，随着微环谐振腔中泵浦光功率逐步增大，依次得到图灵光频梳、调制不稳定性光频梳和光孤子晶体光频梳。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述泵浦激光器为频率稳定、发射功率可调节的半导体窄线宽激光器，或者为频率稳定的窄线宽光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述微环谐振腔为上下话路型微环谐振腔，包括衬底、包层、第一直波导、第二直波导和环形波导；所述环形波导分别与第一直波导和第二直波导通过倏逝波进行耦合；所述第一直波导和第二直波导排列在环形波导两侧；所述第一直波导的两端分别为Input端口和Through端口；所述第二直波导的两端分别为Drop端口和Add端口；泵浦光信号从所述Input端口进入微环谐振腔，满足微环谐振腔谐振条件的频率从所述Drop端口输出，未完全耦合的泵浦光从所述Through端口输出。
4.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述的微环谐振腔为直通型微环谐振腔，包括衬底、包层、直波导和环形波导；所述环形波导与直波导通过倏逝波进行耦合；所述直波导的两端分别为Input端口和Through端口；泵浦光信号从Input端口进入微环谐振腔，产生的光频梳信号和未完全耦合的泵浦光从Through端口输出。
5.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述光学放大器为光纤放大器，或者为拉曼光纤放大器。
6.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述偏振控制器为光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器。
7.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述温度调节器为半导体制冷器或者表面金属加热器。
8.根据权利要求7所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于：所述温度控制器为与温度调节器相适配的半导体制冷器控制器或电流控制器。
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