CN112751251B - 一种双光学频率梳产生系统及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光学频率梳产生系统和产生方法，将泵浦激光分成两束激光，两束激光分别并耦合入耦合结构，两个耦合结构用于将分光后的泵浦激光分别耦合入两个光力微腔；泵浦激光在光力微腔中传播激发光力微腔光学模式，通过光压激发力学模式，通过光力反作用，产生光学边带，即光学频率梳。由于光学频率梳的梳齿间隔由力学模式共振频率决定，选取力学模式共振频率略有不同的两个光力耦合微腔，即可产生与原泵浦激光相干的双光学频率梳。本发明可以用于低成本产生芯片集成的双光梳产生元器件。

Description

一种双光学频率梳产生系统及产生方法

技术领域

本发明涉及微纳光学器件，特别是涉及一种光学频率梳产生系统及产生方法。

背景技术

双光学频率梳技术在激光测距、光谱学等领域有着不可替代的重要应用。其优点在于可以极大的激光测距的模糊距离、提高信息提取速率、降低信息解调难度。

通常情况下，双光学频率梳可以利用两套由锁模飞秒激光器、电光调制或者克尔非线性产生光学频率梳获得。其中，传统的锁模飞秒激光器实现双光学频率梳系统较复杂、体积大、成本高。而利用电光调制或者克尔非线性虽然能够在微腔中实现双光学频率梳，从而实现双光学频率梳的微小型化乃至芯片集成，但这些微腔光学频率梳重复频率高(GHz乃至THz)，一般情况下大大超过了传统商用电子设备的测量范围，使得低成本锁定这类双光学频率的微腔需要尺寸达到毫米量级。并且，其太高的重频大大增加了梳齿间隔，使得其在部分应用，例如，超远测距或者精细光谱学中没有明显优势。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种双光学频率梳产生系统，以产生可以用于芯片集成的高性能、宽带宽、低重频(＜GHz)双光学频梳，且普适于各个波段双光学频梳产生；本发明的目的之二是提供一种光学频率梳的产生方法。

技术方案：本发明的一种双光学频率梳产生系统，包括泵浦激光器、分光器、两个光力微腔、两个耦合结构、输出端口；两个光力微腔设有两套分别耦合的光学模式和力学模式，用于产生两套不同频率间隔的光学频率梳；泵浦激光器产生的泵浦光传输至分光器分成两束激光，每束激光的光路上均设有一个耦合结构将经分光后的泵浦激光耦合进光力微腔，两路泵浦激光在光力微腔中激发光学模式，光学模式与力学模式耦合，产生动力学反作用驱动力学模式，进而产生光学边带，并经输出端口输出光学频率梳。若将分光的后的激光光路记为第一光路、第二光路，即第一光路设有一个耦合结构和一个光力微腔，第二光路也设有一个耦合结构和一个光力微腔。

其中，泵浦源用于提供泵浦光，泵浦光耦合入所述耦合结构；泵浦激光器用来泵浦光力微腔，可选的，可选用波长可调激光器或波长固定激光器；分光器用于将泵浦激光分成两束激光，两个耦合结构用于将分开的两束激光分别耦合进所述两个光力微腔；两个光力微腔用于产生两套不同频率间隔的光学频率梳，实现双光学频率梳；光力微腔集成于一基片衬底上，光力微腔包括光学模式和力学模式并实现了强耦合；泵浦光在所述光力微腔中激发所述光学模式，光学模式与所述力学模式耦合，产生动力学反作用，动力学反作用驱动所述力学模式，产生光学边带，输出光学频率梳。

分光器可选用光纤分束器、耦合器、棱镜分束器或波导分束器，或现有技术中其他分光设备。

优选地，该系统还包括两个用于调节泵浦光偏振方向的偏振控制器，两个偏振控制器设于分光器和两个耦合结构之间；即经分光的每束激光光路上均设有一个偏振控制器，且偏振控制器设于分光器和两个耦合结构之间。分光后的泵浦激光经偏振控制器调节偏振方向，再由耦合结构耦合进光力微腔，以实现其分别与两个所述光力微腔高效耦合。

优选地，该系统还包括两个温度控制器，分别用于调节两个光力微腔的温度，进而分别调节光力微腔光学模式共振频率，以实现泵浦激光同时高效激发所述两个光力微腔的光学模式。

优选地，光力微腔集成于一基片衬底上。两个光路上的两个光力微腔都集成于一片衬底上。

优选地，该系统还包括分束器、光电探测器、频率信号分析设备以及光谱仪；分束器设有输入端、第一输出端、第二输出端，从光力微腔延伸出的耦合结构的输出端分别与分束器的输入端连接；分束器的第一输出端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与频率信号分析设备连接；分束器的第二输出端与光谱仪连接。

其中，频率信号分析设备可以选用频谱仪、示波器或相噪仪，或现有技术中其他可以用于频率信号分析的设备。示波器用于测量光力微腔生成光学频率梳重复频率的噪声及表征稳定性，光谱仪用于测量所述分束器的第二输出端的输出光学频率梳光谱。

优选地，该系统还包括频率调制器，用于产生泵浦激光边带，可同时有效激发所述两个光力微腔；所述频率调制器设于泵浦激光器和分光器之间，或设于分光器与耦合结构之间。其中，频率调制器包括声光调制器和电光调制器。

优选地，所述光力微腔包括驻波模式光力微腔，驻波模式光力微腔内设置有微纳结构、膜状结构、光子晶体、声子晶体或振动原子云。

可选的，所述耦合结构、所述两个温度控制系统、所述两个光力微腔集成于同一基片衬底上。

本发明中产生的光学频率梳的频率间隔由所述光力微腔中的力学模式的共振频率决定，并可由微腔的几何结构、选取材料设计得到有效控制。

所述力学模式共振频率，可位于kHz、MHz或GHz量级。所述双光学频率梳中两套不同频率间隔的所述光学频率梳，用两个不同的所述光力微腔实现，其频率间隔由微腔的结构差别决定，可以自行设计调节。

进一步地，系统中所有器件皆可集成与统一基片衬底上。

本发明还提供了一种双光学频率梳产生方法，该方法包括：将泵浦激光分光成两束泵浦激光，并分别耦合入力学模式共振频率不同的两个光力微腔，光力微腔包括光学模式和力学模式并实现了强耦合，泵浦激光在光力微腔中传播激发光学模式，后通过光压激发力学模式，通过光力反作用，产生光学边带，即光学频率梳。光学频率梳的梳齿间隔由力学模式共振频率决定，则产生与原泵浦激光相干的双光学频率梳。

其中，通过改变光力微腔力学模式的共振频率，调节光学频率梳的梳齿间隔。所述光学频率梳的重复频率由所述力学模式共振频率决定，光力微腔力学模式共振频率为kHz、MHz或GHz量级。

所述双光学频率梳的重复频率差由所述两个光力微腔的力学模式共振频率差决定，所述力学模式差值可以位于Hz至GHz量级，所述双光学频率梳的重复频率差可以在Hz至GHz。

使用时，调节偏振控制器及耦合装置至最佳状态，使得泵浦激光有效耦合进所述两个光力微腔，且获得宽带宽且平坦光学频率梳。

当泵浦源无法同时有效激发两个光力微腔时，可利用温度控制装置调节上述两个光力微腔，使其能够同时有效激发。

利用频率调制器，调制泵浦激光产生泵浦激光边带，使所述产生的泵浦激光与其边带分别满足所述两个光力微腔光学模式共振条件，有效激发所述两个光力微腔。

发明原理：本发明包括一台泵浦激光器、分光器、两个光力微腔、两个耦合结构、输出端口。泵浦激光器提供泵浦激光，经由分光输入端口分成两束激光；两束激光分别并耦合入耦合结构；两个耦合结构用于将分光后的泵浦激光分别耦合入两个光力微腔；在光力微腔中，泵浦激光传播激发光力微腔光学模式；光学模式被激发后，通过光压激发力学模式，通过光力反作用，产生光学边带，即光学频率梳。由于光学频率梳的梳齿间隔由力学模式共振频率决定，选取力学模式共振频率略有不同的两个光力耦合微腔，即可产生与原泵浦激光相干的双光学频率梳。本发明可以用于低成本产生芯片集成的双光梳产生元器件。

本发明采用的光力微腔尺寸可以在微米量级，重复频率在MHz量级，可以方便的测量及锁定；且还具有高效率、高重频稳定性、光谱平坦等优点，并普适于各个波段双光学频率梳产生。

有益效果：本发明中，低重频用于光谱学可以提高特征光谱分辨率，并可方便实现窄带宽锁模(光谱宽度＜20GHz)，以获得较高的单根梳齿功率。

相对于传统的锁模分秒激光器，本发明体积小，可用于芯片集成；并且，本发明可产生高性能、宽带宽、低重频(＜GHz)双光学频梳，可产生适用于各个波段双光学频梳；本发明系统中所有器件皆可集成与统一基片衬底上，可以用于低成本产生芯片集成的双光梳产生元器件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种双光学频率梳产生系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种双光学频率梳产生系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种双光学频率梳产生系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种双光学频率梳产生系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种双光学频率梳产生系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种光学频率梳射频频谱图；

图7是本发明实施例提供的另一种光学频率梳射频频谱图；

图8是本发明实施例提供的一种光学频率梳光谱图；

图9是本发明实施例提供的另一种光学频率梳光谱图；

图10是本发明实施例提供的一种光学频率梳产生系统的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

本发明中的一种双光学频率梳产生方法，该方法是将泵浦激光分光成两束泵浦激光，并分别耦合入力学模式共振频率不同的两个光力微腔，光力微腔包括光学模式和力学模式并实现了强耦合，泵浦激光在光力微腔中传播激发光学模式，后通过光压激发力学模式，通过光力反作用，产生光学边带；光学频率梳的梳齿间隔由力学模式共振频率决定，则产生与原泵浦激光相干的双光学频率梳。

实施例1：

图1为本实施例提供的一种双光学频率梳产生系统，包括泵浦激光器10、第一分光器20、两个耦合结构30、两个光力微腔40和输出端口50。泵浦激光器10用于提供泵浦光，泵浦光经过第一分光器20分成两束激光，如图1所示，为描述清楚，将图中位于上方的光路记为第一光路、位于下方的光路第二光路；第一光路设有一个耦合结构30、一个光力微腔40和一个输出端口50；同样地，第二光路设有一个耦合结构30、一个光力微腔40和一个输出端口50。分束后的激光分别耦合入两个耦合结构30，两个耦合结构30用于将分束后泵浦激光分别耦合入两个光力微腔40；两个光力微腔40设有两套分别耦合的光学模式和力学模式，用于产生两套不同频率间隔的光学频率梳；泵浦激光在两个光力微腔40中分别激发光学模式；光学模式分别与光力微腔40中对应不同共振频率的力学模式耦合，产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，进而产生光学边带，输出两套光学频率梳。其中，两套光学频率梳分别由相应设置的输出端口50输出。

其中，泵浦激光器10用于产生激发光学频率梳的泵浦激光，可选的，泵浦激光器10包括波长可调的激光器，例如波长可调的光纤激光器、波长可调的半导体激光器等，通过调节泵浦光的输出波长将泵浦光调节至与光力微腔40共振频率，以有效激发光学模式。可选的，具体实施时可以根据实际情况选择泵浦激光器10的具体形式及调节方式，本发明实施例对此不作限定。

第一分光器20用于将泵浦激光分束成两束激光分别泵浦两个光力微腔30；可选的，具体实施时可以利用光纤分束器、耦合器、棱镜分束器、波导分束器等，本发明实施例对此不作限定。分束比例根据实际使用需要，用来调节双光学频率梳强度比例、光力微腔激发效能、能量分配等，本发明实施例对此不作限定。

光力微腔30包括回音壁模式光力微腔，光学模式和光力微腔本身的力学模式耦合。可选的，光力微腔30包括驻波模式光力微腔，驻波模式光力微腔内设置有微纳结构、膜状结构、光子晶体、声子晶体或振动原子云；光学模式和光力微腔内物体的力学模式耦合。

耦合结构30用于将接收泵浦源10出射的泵浦光，并将泵浦光耦合入光力微腔40，具体实施时，耦合结构30可以包括拉锥光纤、微纳光纤、棱镜耦合装置或其他光波导耦合结构等。示意性的，图1中示出的耦合结构30为包括锥状结构的光纤，泵浦光在锥状结构产生倏逝场，实现与光力微腔40的耦合，通过调节锥状结构和光力微腔40的距离可以调节耦合效率，锥状结构可以通过光纤熔融拉锥得到，光纤锥耦合方式具有耦合效率高、可操控性强、调节方便的优点，具体实施时，可以根据实际实验条件选择耦合结构30的类型，本发明实施例不作限定。

输出端口50用于输出光学频率梳，可以采用光纤输出端口、耦合器、衍射光栅等，根据实际需要选取，本发明实施例对此不作限定。

两个耦合结构30与两个光力微腔40集成于同一基片衬底上。在具体实施时，耦合结构30可以为微纳波导及其他等可以集成于基片衬底上的结构。将两个耦合结构30与两个光力微腔40集成在同一基片衬底上，用来提升双光学频率梳产生系统的集成度。

实施例2：

如图2所示为本实施例提供的又一种双光学频率梳产生系统的结构示意图。实施例1技术方案的基础上，参考图2，本实施例提供的光学频率梳产生系统还包括两个第二分光器70、两个光电探测器80、一个频谱仪90以及一个光谱仪100。

从光学频率梳输出端口50延伸出的两个输出端分别与第二分光器70的输入端连接，第二分光器70至少设有两个输出端(如图2所示的第一输出端口A和第二输出端口B)，两个第二分光器70的第一输出端A均与光电探测器80的输入端连接，光电探测器80的输出端均与频谱仪90连接；两个分光器70的第二输出端B分别与光谱仪100的输入端连接。

其中，频谱仪90用于输出光电探测器80探测的噪声信息或测量力学共振频率，光谱仪100用于测量分光器70的第二输出端的输出光谱。频谱仪90以可以替换为示波器或者相噪仪，本实施例不做限定，为探测光学模式和力学模式共振频率及对应的噪声信息而选取对应的探测或者调试设备，根据实际需要，本发明不做限定。

实施例3：

图3所示为本实施例提供的另一种光学频率梳产生系统的结构示意图。在实施例1技术方案的基础上，参考图3，本实施例中提供的光学频率梳产生系统还包括两个偏振控制器110，第一光路和第二光路分别设有一个偏振控制器110，且偏振控制器110分别位于分束器20和两个耦合结构30之间，偏振控制器110用于调节泵浦光的偏振方向。

示例性的，具体实施时，通过调节两个偏振控制器110处于不同状态，实现队泵浦激光偏振方向的分别调节，从而分别调节泵浦光与两个光力微腔40的耦合效率，两个偏振控制器110可以为三环式或嵌入式偏振控制器等，本发明实施例对此不作限定。

实施例4：

图4所示为本实施例提供的另一种光学频率梳产生系统的结构示意图。在上述实施例1技术方案的基础上，参考图4，本实施例中提供的光学频率梳产生系统还包括两个温度控制器120，两个温度控制器120分别位于两个光力微腔40附近，两个温度控制器120分别用于调节两个光力微腔40温度，进而分别调节光力微腔40光学模式共振频率。即第一光路设有一个温度控制器120，第二光路也设有一个温度控制器120。

示例性的，具体实施时，通过调节两个温度控制器120处于不同状态，实现对光力微腔40的光学共振频率调节，从而方便泵浦激光对光力微腔的有效泵浦。这里利用了微腔的热光非线性，即温度变化导致微腔光学模式共振频率变化。使用的温度调节装置或者结构，本发明实施例对此不作限定。

可选的，两个光力微腔40与两个偏振控制器120集成于同一基片衬底上。将两个光力微腔40与两个偏振控制器120集成在同一基片衬底上，用来提升双光学频率梳产生系统的集成度。

实施例5：

在上述实施例1技术方案的基础上，本发明的双光学频率梳产生系统还包括用于产生泵浦激光边带的频率调制器130，频率调制器130设于泵浦激光器10和分光器20之间，或设于分光器20与耦合结构30之间。

本实施例以频率调制器130设置于分光器20和第二光路的耦合结构30之间为例。如图5所示为本实施例提供的另一种光学频率梳产生系统的结构示意图，本实施例中提供的光学频率梳产生系统还包括一个频率调制器130，频率调制器130位于泵浦激光和分光器之间，频率调制器130用来产生光学边带，并进一步有效分别泵浦两个光力微腔40。

示例性的，具体实施时，通过调节频率调制器130，产生泵浦激光的一条光学边带，泵浦激光本身及这条光学边带分别于两个光力微腔40的光学共振频率对应，从而方便泵浦激光对具有不同光学共振频率的光力微腔的进行有效泵浦。频率调制器包括声光调制器及电光调制器等，本发明实施例对此不作限定。

其中，采用上述实施例2的光学频率梳产生系统，光力微腔选用片上氧化硅回音壁模光力微腔。其中光学模式为微腔回音壁模式，力学模式为微腔本征力学振动模式。当光学回音壁模被激发时，微腔壁上会产生光压会，并进一步激发力学模式产生振动。起振后，力学模式反作用于微腔内光场，进而调制光场产生数目众多且等间距的光学边带，即光学频率梳。

图6和图7为本发明系统产生的典型的两套重复频率略有差距的光学频率梳射频频谱图，图6展示光学频率梳一重复频率约为101.17MHz，图7展示光学频率梳二重复频率约为104.53MHz，重复频率差约为3.36MHz。图6和图7同时展示了本发明系统产生的双光梳具有良好的射频频率噪声特性，说明了产生的各光学频率梳齿与泵浦激光具有良好的相干特性。

图8和图9为本发明系统产生的典型的两套重复频率略有差距的光学频率梳光谱图，图8展示光学频率梳一重复频率约为101.17MHz，图9展示光学频率梳二重复频率约为104.53MHz，重复频率差约为3.36MHz。图8和图9同时展示了本发明系统产生的双光学频率梳具有宽带宽、光谱平坦等特性。

光学频率梳输出图谱仅与实际选取的光力腔相关，与光路无关；因此，在其他实施例中，光力微腔设计还可以为其他各类形式。

图10所示为本发明实施例提供的一种光学频率梳产生系统的原理示意图，图中设有左右两个腔镜，左侧腔镜为不可移动腔镜，右侧腔镜为可移动腔镜。可移动腔镜物理机制可以理解为，腔镜与一根弹簧绑定，当腔镜受力后会以弹簧的共振频率振动。当腔内有光场时，由于光压导致腔镜受力，当光压足够时，右侧弹簧起振，即腔镜开始振动。由于动力学反作用，腔长发生变化，并产生等于弹簧振动频率的光学边带，当弹簧振动幅度做够大时，即可形成宽带宽的光学频率梳。

利用微腔结构形成光学模式，这里以反射式驻波腔为例，但不应只理解为限制于驻波腔情形，其他微腔结构亦可。其中一面腔镜为移动腔镜，这里移动腔镜由于受到恢复力作用，形成力学模式，但不应只理解为限制于移动腔镜情形，其他力学共振原理亦可。通过光力微腔中光学模式光压驱动腔镜运动，使得光力微腔中光学模式与腔镜力学模式产生耦合，通过动力学反作用产生光学频率梳，这里不应只理解为受限于光压驱动腔镜运动情形，其他光力耦合方式亦可。通过光波导结构与驻波模式光学微腔的耦合结构设计实现过耦合，泵浦激光可泵浦驻波模式光力微腔产生光学边带，即光学频率梳，这里不应只理解为受限于光波导结构情形，其他任意导波结构，外场与微腔耦合结构亦可，可以理解为其作用是实现将泵浦激光耦合进光力微腔，并高效驱动光力微腔。产生的光学频率梳重复频率及梳齿频率间隔为腔镜力学模式共振频率，这里如果光学模式与其他力学模式发生耦合，则为其他力学模式的共振频率。力学模式共振频率位于kHz、MHz或GHz量级，通过选择不同光学模式的光力微腔，可以实现不同光波段的光学频率梳，通过选择不同力学模式的光力微腔，可以实现不同重复频率的光学频率梳。双光学频率梳的重复频率差由选取两个光力微腔的力学模式共振频率差决定，力学模式差值可以位于Hz至GHz量级，双光学频率梳的重复频率差可以在Hz至GHz。

Claims (3)

1.一种双光学频率梳产生系统，其特征在于：包括泵浦激光器(10)、分光器(20)、两个耦合结构(30)、两个光力微腔(40)、输出端口(50)；两个光力微腔设有两套分别耦合的光学模式和力学模式，用于产生两套不同频率间隔的光学频率梳；泵浦激光器(10)产生的泵浦光传输至分光器(20)分成两束激光，每束激光的光路上均设有一个耦合结构(30)将经分开的泵浦激光耦合进光力微腔(40)；两路泵浦激光在光力微腔(40)中激发光学模式，光学模式与力学模式耦合产生光学边带，经输出端口(50)输出光学频率梳；通过改变光力微腔力学模式的共振频率，调节光学频率梳的梳齿间隔；

该系统还包括两个用于调节泵浦光偏振方向的偏振控制器(110)，经分光的每束激光光路上均设有一个偏振控制器，且偏振控制器(110)设于分光器(20)和两个耦合结构(30)之间；

两个温度控制器(120)，用于调节两个光力微腔(40)的温度；

该系统还包括分束器(70)、光电探测器(80)、频率信号分析设备(90)以及光谱仪(100)；从光力微腔延伸出的耦合结构的输出端与分束器(70)的输入端连接，分束器的第一输出端(A)与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与频率信号分析设备连接，分束器(70)的第二输出端(B)与光谱仪连接；

该系统还包括用于产生泵浦激光边带的频率调制器(130)；所述频率调制器(130)设于泵浦激光器(10)和分光器(20)之间，或设于分光器(20)与耦合结构(30)之间；

所述光力微腔包括驻波模式光力微腔，驻波模式光力微腔内设置有微纳结构、膜状结构、光子晶体、声子晶体或振动原子云；

光力微腔(40)集成于一基片衬底上。

2.一种根据权利要求1所述双光学频率梳产生系统的光学频率梳产生方法，其特征在于：该方法包括：将泵浦激光分光成两束泵浦激光，并分别耦合入力学模式共振频率不同的两个光力微腔，光力微腔包括光学模式和力学模式并实现耦合，泵浦激光在光力微腔中传播激发光学模式，后通过光压激发力学模式，通过光力反作用，产生光学边带，即光学频率梳。

3.根据权利要求2所述的光学频率梳产生方法，其特征在于：两个光学微腔力学模式共振频率差为Hz至GHz量级。

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