CN105071210A - 基于微腔孤子实现的多波长光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微腔孤子实现的多波长光源，该多波长光源包括入射光源、输入光控制模块、第二合束器、微环谐振腔、波分复用器、反馈系统、滤波器和控制模块，其中入射光源、输入光控制模块、第二合束器、微环谐振腔、波分复用器和滤波器依次连接，反馈系统的输入端连接于波分复用器的输出端，反馈系统的输出端连接于第二合束器的输入端；控制模块同时连接于入射光源和反馈系统。本发明通过一台连续波激光器和一台飞秒脉冲激光器，经微环谐振腔和反馈系统，提供一种包含十几路到几十路功率差很小、相干性好、频率间隔为几十到几百GHz的基于微腔孤子实现的多波长光源。
Description
技术领域
本发明涉及到光通信和非线性光学技术领域，特别涉及片上波分复用光互连技术，尤其是一种基于微腔孤子实现的多波长光源。
背景技术
密集波分复用是光通信中的关键技术，多波长光源在光通信领域有着十分重要的作用，因而获得功率平坦、高信噪比、频率间隔相等的多波长光源具有很重要的意义。
通常获得功率平坦、高信噪比、频率间隔相等的多波长光源的方法为将多个半导体激光器集成以形成激光器阵列，但是这种方法需要严格控制每一个激光器单元的输出波长，以确保整个激光器阵列输出的是波长间隔相等、波长位置固定的多路光信号，实现方式比较复杂，导致多波长光源系统的功耗、成本增加。因此迫切需要一种能够同时输出波长间隔相等、波长位置固定的多路光信号的集成多波长光源。
微腔光频梳能够输出波长间隔相等、波长位置固定的多路光信号，但是传统的单一谐振腔微腔光频梳输出的梳状光谱，其各路波长光功率相差较大，而且泵浦光转换效率较低。
因此本发明提出一种将传统单一微腔同光反馈环路相结合构成复合腔的新技术方案，以改善传统微腔光频梳输出光谱的平坦性和泵浦光转换效率，达到输出光谱平坦、波长间隔相等、泵浦转换效率较高的多波长光源。
本发明主体部分为氮化硅微环谐振腔，通过使用一台连续波激光器和一台飞秒脉冲激光器，通过比较简单的方法，可以实现多路稳定的、功率差小，频率间隔相等的多波长光源。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于微腔孤子实现的多波长光源，以提供包含十几路到几十路功率差很小、相干性好、频率间隔为几十到几百GHz的多波长光源。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于微腔孤子实现的多波长光源，包括：
入射光源10，包括连续波激光器11和飞秒脉冲激光器12，其中连续波激光器11输出单波长连续波，飞秒脉冲激光器12输出单个飞秒脉冲；
输入光控制模块20，包括依次连接的第一合束器21、偏振控制器22和光放大器23，用于混合入射光源10输出的单波长连续波和单个飞秒脉冲，控制其偏振态并调节最终输出的光功率；
第二合束器30，用于将输入光控制模块20输出的光和经反馈系统60反馈的光汇合到一起；
微环谐振腔40，由一直波导41和一环形波导42构成，用于产生稳定的微腔孤子；其中直波导41两端为倒锥形波导耦合结构，直波导41与环形波导42之间的间距在400nm到1μm之间，环形波导42微环的直径在40μm到4mm之间；
波分复用器50，用于将微环谐振腔输出的光分为两部分，泵浦频率处的光进入反馈系统60中，其他频率的光进入滤波器70中并实现最终输出；
反馈系统60，用于滤波得到某一频率的光，通过调节其相位，最终进入第二合束器30中与入射光汇合；
滤波器70，用于对波分复用器50输入的光进行滤波，并输出多波长光；
控制模块80，用于控制连续波激光器11的输出功率，并控制反馈系统60中光开关61的状态。
上述方案中，所述连续波激光器11作为泵浦光，为该多波长光源提供能量。所述飞秒脉冲激光器12是在初始时刻输出一个飞秒脉冲，脉冲宽度在100fs到1ps之间，以向连续波激光器11的输出光施加一个微小的扰动，改变微环谐振腔工作的状态。
上述方案中，所述光放大器23是掺铒光纤放大器或半导体光放大器。
上述方案中，在初始时刻，所述反馈系统60断开，只有一路光进入所述第二合束器30的输入端。
上述方案中，所述直波导41和所述环形波导42均是条形结构、脊形结构或slot结构。
上述方案中，所述直波导41和所述环形波导42的横截面尺寸为高度大于600纳米，宽度介于1微米到2微米，且保证最少有一个光传播模式。
上述方案中，所述直波导41和所述环形波导42采用的波导均包括硅衬底层410，以及硅衬底层410上热氧化形成的二氧化硅层411、波导芯层氮化硅413和覆盖层412。所述覆盖层是二氧化硅或者空气。
上述方案中，所述反馈系统60包括依次连接的光开关61、带通滤波器62和移相器63，反馈系统60的输入端与波分复用器50的一个输出端相连接，反馈系统60的输出端与第二合束器30的一个输入端口相连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于微腔孤子实现的多波长光源，脉冲激光器12只在初始时刻输出一个脉冲，光开关61在初始时刻保持关闭状态，微环谐振腔内的光场达到稳定后，控制模块80控制连续波激光器11的输出功率值降低，同时控制光开关61打开，反馈系统进入工作状态，总的效果是进入第二合束器30的总光强保持不变，微环谐振腔的工作状态也保持稳定。最终，滤波器70的输出端输出相干性好，功率差小，频率间隔相等的多波长光信号。
2、本发明提供的基于微腔孤子实现的多波长光源，通过一台连续波激光器和一台飞秒脉冲激光器，经微环谐振腔和反馈系统，提供一种包含十几路到几十路功率差很小、相干性好、频率间隔为几十到几百GHz的基于微腔孤子实现的多波长光源。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细描述，其中：
图1为本发明提供的基于微腔孤子实现的多波长光源的结构示意图。
图2为本发明提供的多波长光源中微环谐振腔采用的波导的截面示意图。
图3为本发明提供的多波长光源中孤子频域模拟结果的示意图。
图4为本发明提供的输出的多波长光源模拟结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，本发明提供了一种基于微腔孤子实现的多波长光源，该多波长光源包括入射光源10、输入光控制模块20、第二合束器30、微环谐振腔40、波分复用器50、反馈系统60、滤波器70和控制模块80，其中，入射光源10、输入光控制模块20、第二合束器30、微环谐振腔40、波分复用器50和滤波器70依次连接，反馈系统60的输入端连接于波分复用器50的输出端，反馈系统60的输出端连接于第二合束器30的输入端；控制模块80同时连接于入射光源10和反馈系统60。
入射光源10包括一连续波激光器11和一飞秒脉冲激光器12，其中连续波激光器11输出单波长连续波，飞秒脉冲激光器12输出单个飞秒脉冲；连续波激光器11作为泵浦光，为该耗散系统提供能量，飞秒脉冲激光器12只需要在初始时刻输出一个飞秒脉冲，脉冲宽度在100fs到1ps之间，作用是向连续波激光器11的输出光施加一个微小的扰动，改变微环谐振腔工作的状态。
输入光控制模块20，用于将入射光源10的两束激光混合在一起，控制其偏振态并调节最终输出的光功率；输入光控制模块20包括依次连接的一第一合束器21、一偏振控制器22和一光放大器23，其中光放大器23是掺铒光纤放大器或半导体光放大器；要使微环谐振腔中能够发生非线性效应，需要足够高的光强，因此本发明中光放大器23的输出功率能够达到10mW到1W。
第二合束器30，用于将输入光控制模块20输出的光和经反馈系统60反馈的光汇合到一起；初始时刻，反馈系统60断开，只有一路光进入第二合束器30的输入端。
微环谐振腔40，用于产生稳定的微腔孤子；可调谐微环谐振腔结构由一直波导41和一环形波导42构成，其中直波导41两端为倒锥形波导耦合结构；直波导41和环形波导42是条形结构、脊形结构或slot结构；直波导41和环形波导42之间的间距在400nm到1μm之间，微环的直径在40μm到4mm之间；直波导41和环形波导42的横截面尺寸为高度大于600纳米，宽度介于1微米到2微米，且保证最少有一个光传播模式；这里的微环谐振腔在工作波长下为反常色散，微环谐振腔内的光的强度很高，发生一系列的非线性效应，最终稳定形成微腔光孤子。如图2所示，直波导41和环形波导42采用的波导均包括硅衬底层410，以及硅衬底层410上热氧化的二氧化硅层411、波导芯层氮化硅413和覆盖层412，覆盖层可以是二氧化硅或者空气。
波分复用器50，用于将微环谐振腔输出的光分为两部分，泵浦频率处的光进入反馈系统60中，其他频率的光进入滤波器70中并实现最终输出；
反馈系统60，由依次连接的一光开关61、一带通滤波器62和一移相器63构成；其输入端与波分复用器50的一个输出端相连接，输出端与第二合束器30的一个输入端口相连接。该反馈系统用于滤波得到某一频率的光，通过调节其相位，最终进入第二合束器30中与入射光汇合。
反馈系统的作用在于能够充分利用泵浦光的能量，从而可以降低系统中所需的入射光源10的功率。
滤波器70，其作用是根据需要，通过滤波得到相应的相干性好，功率差小，频率间隔相等的多波长光源。
控制模块80，其作用是根据系统的要求，在指定的时刻控制连续波激光器11的输出功率和控制光开关61的状态。
系统的整个工作流程可以描述如下：在初始时刻，连续波激光器11输出单波长连续波，飞秒脉冲激光器12输出一个飞秒脉冲，由第一合束器21汇合，偏振控制器22控制其偏振态，经光放大器23放大到合适的功率，经过第二合束器30后耦合进入微环谐振腔40，此时反馈系统60关闭。在微环形谐振腔40中，发生一系列非线性过程，形成稳定的微腔光孤子。这一现象在YanneK.Chembo等的文章(SpatiotemporalLugiato-LefeverformalismforKerr-combgenerationinwhispering-gallery-moderesonators，PHYSICALREVIEWA87，053852，2013和AzimuthalTuringPatterns，BrightandDarkCavitySolitonsinKerrCombsGeneratedWithWhispering-Gallery-ModeResonators，IEEEPhotonicsJournal，5(4)，6100409，2013)中有相关的描述，得到的孤子频域模拟结果如图3中所示。
图3横坐标表示微环谐振腔的腔模(图中共有63个)，相邻两个腔模之间的频率间隔相等，且由微环的半径决定，纵坐标表示光强的相对值。图3所示的结果中，如果不考虑中心泵浦光，其他62个光频梳梳齿之间的功率之差小于3dB，具有良好的平坦性。中心泵浦光的功率远大于其他62个梳齿功率，功率差超过35dB。因此如果采用直接滤波去掉中心频率获得多波长光源的方法，会损失较多的能量，转化效率极低。
本发明中，将泵浦模式处的光通过反馈重新注入微环谐振腔40以实现重复利用，同时降低连续波激光器11的输出功率，使整个微环谐振腔40仍然维持在稳定的工作状态。具体实现方法为：在微环谐振腔40中光场达到稳定状态后的某一个时刻，控制模块80控制光开关61打开，反馈系统60接通，同时控制模块80控制连续波激光器11的输出功率降低，并且降低的功率值等于经反馈系统达到第二合束器30处的光功率。其中经过反馈系统60到达第二合束器30处的光与光放大器23输出的光、频率与相位均相同。总的结果是进入微环谐振腔40中的光功率保持不变，从而能够使整个系统处于一个稳定的状态。从滤波器70处可以输出相干性良好，功率差较小，频率间隔相等的多波长光源，如图4中所示，62个梳齿之间的功率小于3dB。该频率间隔为10GHz到1THz，由微环谐振腔的半径决定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，包括：
入射光源(10)，包括连续波激光器(11)和飞秒脉冲激光器(12)，其中连续波激光器(11)输出单波长连续波，飞秒脉冲激光器(12)输出单个飞秒脉冲；
输入光控制模块(20)，包括依次连接的第一合束器(21)、偏振控制器(22)和光放大器(23)，用于混合入射光源(10)输出的单波长连续波和单个飞秒脉冲，控制其偏振态并调节最终输出的光功率；
第二合束器(30)，用于将输入光控制模块(20)输出的光和经反馈系统(60)反馈的光汇合到一起；
微环谐振腔(40)，由一直波导(41)和一环形波导(42)构成，用于产生稳定的微腔孤子；其中直波导(41)两端为倒锥形波导耦合结构，直波导(41)与环形波导(42)之间的间距在400nm到1μm之间，环形波导(42)微环的直径在40μm到4mm之间；
波分复用器(50)，用于将微环谐振腔输出的光分为两部分，泵浦频率处的光进入反馈系统(60)中，其他频率的光进入滤波器(70)中并实现最终输出；
反馈系统(60)，用于滤波得到某一频率的光，通过调节其相位，最终进入第二合束器(30)中与入射光汇合；
滤波器(70)，用于对波分复用器(50)输入的光进行滤波，并输出多波长光；
控制模块(80)，用于控制连续波激光器(11)的输出功率，并控制反馈系统(60)中光开关(61)的状态。
2.根据权利要求1所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述连续波激光器(11)作为泵浦光，为该多波长光源提供能量。
3.根据权利要求2所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器(12)是在初始时刻输出一个飞秒脉冲，脉冲宽度在100fs到1ps之间，以向连续波激光器(11)的输出光施加一个微小的扰动，改变微环谐振腔工作的状态。
4.根据权利要求1所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述光放大器(23)是掺铒光纤放大器或半导体光放大器。
5.根据权利要求1所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，在初始时刻，所述反馈系统(60)断开，只有一路光进入所述第二合束器(30)的输入端。
6.根据权利要求1所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述直波导(41)和所述环形波导(42)均是条形结构、脊形结构或slot结构。
7.根据权利要求1所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述直波导(41)和所述环形波导(42)的横截面尺寸为高度大于600纳米，宽度介于1微米到2微米，且保证最少有一个光传播模式。
8.根据权利要求6或7所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述直波导(41)和所述环形波导(42)采用的波导均包括硅衬底层(410)，以及硅衬底层(410)上热氧化形成的二氧化硅层(411)、波导芯层氮化硅(413)和覆盖层(412)。
9.根据权利要求8所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述覆盖层是二氧化硅或者空气。
10.根据权利要求1所述的基于微腔孤子实现的多波长光源，其特征在于，所述反馈系统(60)包括依次连接的光开关(61)、带通滤波器(62)和移相器(63)，反馈系统(60)的输入端与波分复用器(50)的一个输出端相连接，反馈系统(60)的输出端与第二合束器(30)的一个输入端口相连接。
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