CN104977775A - 基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置及产生方法，包括泵浦激光、第一光放大器、第一分束器、光纤环、光滤波器、合束器和光学微腔；第一放大器的输入端连接泵浦激光，分束器的输入端连接至第一放大器的输出端；光纤环的一端连接至分束器的第二输出端，光滤波器的输入端连接至光纤环的另一端，合束器的第一输入端连接至分束器的第一输出端，合束器的第二输入端连接至光滤波器的输出端，光学微腔的输入端连接至所述合束器的输出端；泵浦激光的输出经过第一光放大器放大后被分束器分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分依次经过光纤环和光滤波器后成为种子光，泵浦光和种子光经过合束器后注入光学微腔中，产生梳齿间隔可控的光频梳。

Description

基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置及产生方法

技术领域

本发明属于集成光学及非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置及产生方法。

背景技术

光频梳是一些离散的、等间距频率的像梳子一样的形状的光谱，广泛用于精密测量。基于光学微腔的光频梳技术拓展了传统光频梳技术的应用范围，在精密频率标定、片上多波长光源和光孤子传输、存储等器件的应用方面有较高优势，能够降低激光器的数量，改善传输信号信噪比，以及作为动态缓存等。

传统的光频梳技术依赖于锁模激光器，激光器的腔长一般较长，故生成的梳齿之间的间隔非常窄，通常小于1GHz。而基于非线性光学微腔的光频梳技术可以很好的补充传统光频梳技术的不足。与此同时，光学微腔具有器件尺寸小、功率消耗低、响应速度快、且制作工艺简单成熟等特点，很好的满足了全光非线性器件的发展方向。一束泵浦光注入微腔，当泵浦光的波长和微腔的谐振波长相近且功率超过阈值，会在腔内形成回音壁模式，使得光强场相干叠加，形成高能量密度，激发介质的非线性效应，并与色散特性共同作用通过四波混频效应产生一些新的频率成分，使得泵浦光的频谱得到有效展宽，形成梳齿状频谱。各梳齿间的间隔正好等于微腔的自由频谱范围(Free Spectral Range，FSR)。

光学微腔光频梳的产生是一单频的泵浦光进入光学微腔，结构简单。第一级光频梳的产生基于光学微腔的调制不稳定性，是由非线性和色散效应之间的相互作用导致的对稳态的调制，这种调制不稳定性表现为将连续或准连续的辐射分裂成一列超短脉冲，频域表现为频谱的展宽。只有当泵浦光的功率超过阈值才能产生光频梳，而阈值功率由光学微腔的性能决定，通常需要较高的泵浦功率，不利于光学微腔光频梳的产生。且第一级光频梳的位置由光学微腔的性能和泵浦光功率决定，缺乏主动的优化机制，不能实现梳齿间隔可控。

基于注入种子光的光学微腔光频梳，可以降低光频梳产生的阈值，提高相干性，并实现梳齿间隔可控。目前种子光的产生有两种方法，分别是泵浦光电光调制边带和梳齿反馈。电光调制产生的边带之间的频率间隔受限于射频信号，通常为几十GHz，且高阶边带的功率通常很低，使该方法仅限于FSR为几十GHz的光学微腔，对光学微腔的FSR容忍度低。而梳齿反馈作为种子光，由于相邻圈的光场一直在变化，不利于光频梳的稳定。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置，旨在解决现有技术中单一泵浦产生光频梳的梳齿间隔不可控的问题。

本发明提供了一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置，包括泵浦激光、第一光放大器、第一分束器、光纤环、光滤波器、合束器和光学微腔；所述第一放大器的输入端连接所述泵浦激光，所述第一分束器的输入端连接至所述第一放大器的输出端；所述光纤环的一端连接至所述第一分束器的第二输出端，所述光滤波器的输入端连接至所述光纤环的另一端，所述合束器的第一输入端连接至所述第一分束器的第一输出端，所述合束器的第二输入端连接至所述光滤波器的输出端，所述光学微腔的输入端连接至所述合束器的输出端；所述泵浦激光的输出经过所述第一光放大器放大后被所述第一分束器分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分依次经过所述光纤环和所述光滤波器后成为种子光，所述泵浦光和所述种子光经过所述合束器后注入光学微腔中，产生梳齿间隔可控的光频梳。

更进一步地，所述光纤环包括第二光放大器和单边带调制器；所述单边带调制器的第一输入端作为所述光纤环的一端，所述第二光放大器的输入端连接至所述单边带调制器的输出端，所述第二光放大器的输出端作为所述光纤环的另一端，所述单边带调制器的第二输入端用于接收外部的射频信号。

更进一步地，所述单边带调制器用于产生一个频率可控的调制边带。

更进一步地，所述单边带调制器包括第二分束器、移相器和IQ调制器；所述第二分束器的输入端作为所述单边带调制器的第二输入端，所述移相器的输入端连接至所述第二分束器的第二输出端，所述IQ调制器的第一输入端连接至所述第二分束器的第一输出端，所述IQ调制器的第二输入端连接至所述移相器的输出端，所述IQ调制器的第三输入端作为所述单边带调制器的第一输入端，所述IQ调制器的输出端作为所述单边带调制器的输出端。

更进一步地，所述光滤波器用于使得除泵浦激光波长以外的一个或多个波长透过。

更进一步地，所述光纤环用于产生多个等间距的频率分量，频率间隔等于所述射频信号的调制频率。

更进一步地，通过调整光滤波器的中心波长，改变种子光和泵浦光之间的距离，实现梳齿间隔可控的光频梳输出。

本发明中，增加了一路种子光信号，种子光通过泵浦光的单边带调制产生，同时还解决了电光调制边带作为种子光对光学微腔FSR容忍度低、频谱反馈产生种子光的方法很难实现稳定的光频梳输出的问题。

本发明还提供了一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生方法，包括下述步骤：

(1)将放大后的泵浦激光分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分经过调制后产生多个等间距的频率分量，再经过光滤波器后成为种子光；

(2)所述泵浦光和所述种子光经过合束后注入光学微腔中，产生梳齿间隔可控的光频梳。

更进一步地，所述频率分量的频率间隔等于射频信号调制频率。

更进一步地，通过调整光滤波器的中心波长，改变种子光和泵浦光之间的距离，实现梳齿间隔可控的光频梳输出。

本发明增加了一路种子光信号，能够对光学微腔光频梳产生的动力学过程进行干预，最终影响光频梳的产生效果。选择泵浦光之外的一个或多个梳齿作为种子光和泵浦一起注入光学微腔，能比较容易产生光频梳，并且产生光频梳的梳齿间隔可控。与基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统相比，该系统易实现光频梳的稳定，得到梳齿间隔可控的光频梳。与基于泵浦光的电光调制边带作为种子光相比，该系统产生的种子光的波长和功率可调范围增大，增加了对光学微腔FSR的容忍度。该系统能产生稳定的光频梳、提高相干性、实现梳齿间隔可控，并改善对光学微腔FSR的容忍度。本发明结构简单，可重复性强。

附图说明

图1是一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生系统的示意图。

图2是本发明的实施例，其中，有可调单频谐激光器201、高功率光放大器202、分束器203、单边带调制器204、光放大器205、光滤波器206、合束器207、光学微腔208、输出端209。

图3是单边带调制方法的示意图。

图4是本发明的第一个实施例的仿真光谱图。

图5是本发明的第二个实施例的仿真光谱图。种子光位于距离泵浦光为1×FSR、3×FSR、5×FSR时的光频梳谱线，分别对应图(a)、(b)、(c)；其中，横坐标表示模式数，纵坐标表示频谱功率。

图6是本发明的第三个实施例的仿真光谱图，其中，横坐标表示模式数，纵坐标表示频谱功率。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种高性能易实现的基于注入种子光的光学微腔光频梳产生系统，能较易实现稳定的光频梳、提高相干性、实现梳齿间隔可控，并改善对光学微腔FSR的容忍度。

本发明实施例提供的基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置包括：泵浦激光1、第一光放大器2、第一分束器3、单边带调制器5、第二光放大器4、光滤波器6、合束器7、光学微腔8。其中泵浦激光1的输出经过第一光放大器2后由第一分束器3分成两部分，一部分成为泵浦光经过合束器7直接进入光学微腔8，令一部分经过由单边带调制器5和第二光放大器4组成的的光纤环和光滤波器6后成为种子光，再经过合束器与泵浦光一起注入光学微腔8中。

泵浦激光1是激光光源，激光光源按其激活物质分类，包括固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光。泵浦激光1通常是单一频率的高相干光，激发光学微腔8的非线性过程。

第一光放大器2和第二光放大器4的结构相同，可以为光纤放大器、固体光放大器或半导体光放大器。第一分束器3和合束器7结构相同，可以是光纤耦合器、集成波导耦合器、光学分光片、波分复用器、带通光滤波器或光上下路复用器。

如图3所示，单边带调制器5包括第二分束器51、移相器52和IQ调制器53；第二分束器51的输入端作为单边带调制器5的第二输入端，移相器52的输入端连接至第二分束器51的第二输出端，IQ调制器53的第一输入端连接至第二分束器51的第一输出端，IQ调制器53的第二输入端连接至所述移相器52的输出端，IQ调制器53的第三输入端作为单边带调制器5的第一输入端，IQ调制器53的输出端作为单边带调制器5的输出端。

其中，作用于IQ调制器的射频信号分成两路信号，一路经移相器后产生π/2的相移，两路信号进入IQ调制器，对光信号进行单边带频移调制。单边带调制器5的第二光放大器4组成光纤环，光信号第一次经过光纤环，产生一个频移量等于射频频率的第一阶边带，光信号和已产生的第一阶边带一起经过光纤环，产生相对第一阶边带频移量等于射频频率的第二阶边带，以此类推，连续经过光纤环，产生一系列频率间隔等于射频频率的边带。

光滤波器6可以是光学滤波片、光纤光滤波器、光栅光滤波器或集成波导光滤波器等。光滤波器6的作用的效果是允许除泵浦激光1所在波长以外的一个或多个波长透过。

光学微腔为具有光学非线性增益的介质微腔，可以是微球腔、微盘腔、微环腔或微芯环腔。光学微腔一般可以采用较高非线性系数的材料，且光学微腔8的Q值较高，光场能量比较集中，易发生非线性效应。常用的两种材料分别是氮化硅、二氧化硅。氮化硅微腔的品质因子相对较低，但色散可通过设计波导结构来灵活控制。二氧化硅微腔因材料的性质存在复杂的非线性过程，限制了其的广泛应用。

与单一泵浦激光1注入光学微腔8产生光频梳相比，本发明增加了一路种子光信号，能够对光学微腔8光频梳产生的动力学过程进行干预，最终影响光频梳的产生效果。选择泵浦光之外的一个或多个梳齿作为种子光和泵浦一起注入光学微腔8，能比较容易产生光频梳，并且产生光频梳的梳齿间隔可控。

与基于梳齿反馈调控的光学微腔8光频梳产生系统相比，该系统易实现光频梳的稳定，得到梳齿间隔可控的光频梳。

与基于泵浦光的电光调制边带作为种子光相比，该系统产生的种子光的波长和功率可调范围增大，增加了对光学微腔FSR的容忍度。

该系统能产生稳定的光频梳、提高相干性、实现梳齿间隔可控，并改善对光学微腔FSR的容忍度。本发明结构简单，可重复性强。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例子，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例子仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施例一：

图2所示，可调谐单频激光器201提供准单色激光，经高功率光放大器202放大后由分束器203分成两部分，一部分为光学微腔8提供泵浦激光1，泵浦光功率为500mW。另一部分经过由单边带调制器204和光放大器205组成的光纤环，产生一系列等间距的频率分量，频率间隔等于调制频率。经光滤波器206后只允许距离泵浦波长1×FSR位置处的光通过，这部分光成为种子光，功率为5mW，经合束器207后和泵浦光一起注入光学微腔208。腔长为628微米，FSR为226GHz。输出端209用于接光谱仪，观测所产生的光谱图。

如图4所示，产生了稳定的完全等间距的光频梳，梳齿间隔为单倍的FSR。图4中横坐标为模式数，泵浦光所在的模式数为0，纵坐标表示频谱功率。由此可见，利用本发明所述的系统，种子光与泵浦光之间的频率间隔Δν可达到几百GHz，提高了对光学微腔FSR的容忍度，且较容易实现稳定的光学微腔光频梳。

具体实施例二：

图2所示，第二个实施例子和第一个实施例子的区别在于，改变种子光和泵浦光之间的距离Δν。将光滤波器206的中心波长先后分别调至距离泵浦波长1×FSR、3×FSR、5×FSR的位置处，实现梳齿间隔为1×FSR、3×FSR、5×FSR的光频梳输出。

如图5(a)、(b)、(c)，产生的光谱梳齿间隔分别是1×FSR、3×FSR、5×FSR。图5中横坐标为模式数，泵浦光所在的模式数为0，纵坐标表示频谱功率。由此可见，利用本发明所述的系统，能较容易实现光学微腔的光频梳，且可实现梳齿间隔可控。

具体实施例三：

第三个实施例子和第一个实施例子的区别在于，调节光滤波器206，使得距离泵浦波长4×FSR和5×FSR位置处的光同时通过，成为种子光。

如图6所示，能产生稳定的光频梳输出。图6中横坐标为模式数，泵浦光所在的模式数为0，纵坐标表示频谱功率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，包括泵浦激光（1）、第一光放大器（2）、第一分束器（3）、光纤环、光滤波器（6）、合束器（7）和光学微腔（8）；

所述第一放大器（2）的输入端连接所述泵浦激光（1），所述第一分束器（3）的输入端连接至所述第一放大器（2）的输出端；所述光纤环的一端连接至所述第一分束器（3）的第二输出端，所述光滤波器（6）的输入端连接至所述光纤环的另一端，所述合束器（7）的第一输入端连接至所述第一分束器（3）的第一输出端，所述合束器（7）的第二输入端连接至所述光滤波器（6）的输出端，所述光学微腔（8）的输入端连接至所述合束器（7）的输出端；

所述泵浦激光（1）的输出经过所述第一光放大器（2）放大后被所述第一分束器（3）分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分依次经过所述光纤环和所述光滤波器（6）后成为种子光，所述泵浦光和所述种子光经过所述合束器（7）后注入光学微腔（8）中，产生梳齿间隔可控的光频梳。

2.如权利要求1所述的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，所述光纤环包括第二光放大器（4）和单边带调制器（5）；所述单边带调制器（5）的第一输入端作为所述光纤环的一端，所述第二光放大器（4）的输入端连接至所述单边带调制器（5）的输出端，所述第二光放大器（4）的输出端作为所述光纤环的另一端，所述单边带调制器（5）的第二输入端用于接收外部的射频信号。

3.如权利要求2所述的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，所述单边带调制器（5）用于产生一个频率可控的调制边带。

4.如权利要求3所述的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，所述单边带调制器（5）包括第二分束器（51）、移相器（52）和IQ调制器（53）；

所述第二分束器（51）的输入端作为所述单边带调制器（5）的第二输入端，所述移相器（52）的输入端连接至所述第二分束器（51）的第二输出端，所述IQ调制器（53）的第一输入端连接至所述第二分束器（51）的第一输出端，所述IQ调制器（53）的第二输入端连接至所述移相器（52）的输出端，所述IQ调制器（53）的第三输入端作为所述单边带调制器（5）的第一输入端，所述IQ调制器（53）的输出端作为所述单边带调制器（5）的输出端。

5.如权利要求1所述的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，所述光滤波器（6）用于使得除泵浦激光（1）波长以外的一个或多个波长透过。

6.如权利要求1所述的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，所述光纤环用于产生多个等间距的频率分量，频率间隔等于所述射频信号的调制频率。

7.如权利要求1所述的光学微腔光频梳产生装置，其特征在于，通过调整光滤波器的中心波长，改变种子光和泵浦光之间的距离，实现梳齿间隔可控的光频梳输出。

8.一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）将放大后的泵浦激光分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分经过调制后产生多个等间距的频率分量，再经过光滤波器后成为种子光；

（2）所述泵浦光和所述种子光经过合束后注入光学微腔中，产生梳齿间隔可控的光频梳。

9.如权利要求8所述的光学微腔光频梳产生方法，其特征在于，所述频率分量的频率间隔等于射频信号调制频率。

10.如权利要求8所述的光学微腔光频梳产生方法，其特征在于，通过调整光滤波器的中心波长，改变种子光和泵浦光之间的距离，实现梳齿间隔可控的光频梳输出。