CN105428990A - 光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法，设置泵浦激光功率小于光学微腔参量振荡阈值功率，对产生的泵浦激光进行调制，调制信号的频率与光学微腔的自由频谱宽度一致，调制信号幅度根据光学微腔的三阶色散值来计算得到，将相位调制后的泵浦激光通过微腔耦合器耦合进入光学微腔，控制耦合系数使得光学微腔工作在临界耦合状态，在光学微腔中，从长波长方向向短波长方向扫描泵浦激光，在光学微腔输出端采集输出泵浦激光的光谱，一旦当前泵浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止扫描。本发明克服现有克尔光梳锁模方案随机性强、可靠性差且易受扰动等问题，从而快速地、确定性地实现孤子锁模。

Description

光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法。

背景技术

光学频率梳，或简称光梳的发明为精密时间/频率测量提供了革命性的工具。光梳如同一个光学齿轮组，能够把光学频率精确地分频到较低的微波频率，实现光学频率标准向微波频率的精密传递，从而促进了光钟的发展，极大提高了时间计量的精确度。此外，光梳还被用于精密光谱学、天文光谱校准、超稳微波振荡器、高速光通信等诸多领域。目前，绝大多数光梳都是基于锁模飞秒激光器产生的。这类设备结构复杂，体积庞大，价格昂贵。例如，德国MenloSystems公司提供的飞秒激光光梳频率合成系统，仅光学部分的尺寸就达到706×716×139mm，重量达到80公斤，售价很高。因此，飞秒激光光梳的应用受到限制，目前通常仅限于在实验室内使用，无法广泛推广。

针对上述问题，近几年来出现了一种崭新的光梳产生技术方案。该方案基于超高品质因数(Q-factor，后简称Q值)光学微腔中的克尔参量四波混频(FWM:Four-wavemixing)效应来产生高稳定性的等间隔光频率分量，简称为克尔光梳。与飞秒激光器相比，克尔光梳采用的高Q值光学微腔直径通常在1cm以内，从而可以极大地缩小光梳设备的尺寸，使之成为实用化的器件。因此，克尔光梳在未来极有可能取代目前的飞秒激光器光梳，成为下一代光梳设备的主要技术方案，在基础物理研究及精密测量技术中发挥重要作用。小型化、集成化的克尔光梳器件还有望将光梳的应用扩大到更广泛的领域，包括高精度GPS定位，化学传感与探测，激光雷达，任意波形发生，高速光通信等。

尽管如此，与传统的飞秒激光器光梳相比，基于克尔光梳的模式锁定和超短激光脉冲产生目前还没有成熟的方案。现有方案存在以下关键问题:目前的克尔光梳模式锁定具有随机性，在锁模过程中，腔内产生的锁模脉冲数目是随机的，对应的光梳频谱包络也是随机而杂乱的(光梳谱线起伏大)，光梳锁模后受到各种内在和外部因素的扰动，稳定性较差。因此，要实现克尔光梳的实际应用，需要提出新的确定性的克尔光梳模式锁定机制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法，克服现有克尔光梳锁模方案随机性强、可靠性差且易受扰动等问题，从而快速地、确定性地实现孤子锁模。

为实现上述发明目的，本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法包括以下步骤：

S1：产生泵浦激光，泵浦激光功率P_pump根据以下公式计算得到：

$P_{pump}=1.54\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{{n_0}^2{V}_{eff}}{n_2{\mathrm{\λ}}_L{Q}^2}$

其中，n₀为光学微腔折射率，V_eff为光学微腔的等效模式体积，λ_L表示光学微腔谐振峰的波长，n₂为光学微腔的非线性折射率，Q为光学微腔的品质因子，α为泵浦功率控制因子，其取值范围为0＜α＜1；

S2：对泵浦激光进行相位调制，调制信号的频率与光学微腔的自由频谱宽度一致，调制信号的幅度A_m＝2+0.25D₃×10³⁹，其中D₃表示光学微腔的三阶色散值；

S3：将相位调制后的泵浦激光通过微腔耦合器耦合进入光学微腔，控制耦合系数使得光学微腔工作在临界耦合状态；

S4：泵浦激光进入光学微腔后，泵浦激光的初始波长为λ₀＝cλ_L/(c-0.2FSR×n₀λ_L)，其中λ_L表示光学微腔谐振峰的波长，c表示光速，FSR为微腔的自由频谱宽度；然后从初始波长λ₀向短波长扫描泵浦激光，在光学微腔输出端采集输出泵浦激光的光谱，一旦当前泵浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止扫描。

其中，步骤S1中泵浦功率控制因子α的取值范围为0.5≤α≤0.8。

其中，步骤S4中波长扫描采用离散分步的方式，扫描步长转换为频率单位为0.05×L₀，L₀为光学微腔谐振模式的线宽。

其中，步骤S4中判断光谱是否具有平滑包络的方法为：对于采集到的输出泵浦激光的光谱，提取当前泵浦激光波长两侧M_s个光梳谱线的峰值功率，然后将提取到的光梳谱线峰值功率进行微分运算，如果满足泵浦激光波长短波方向微分结果全部为正，长波方向微分结果全部为负，则判定其具有平滑包络。

其中，参数M_s＝0.3×M_comb，M_comb表示产生光谱频谱的40dB频谱宽度。

本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法，设置泵浦激光功率小于光学微腔参量振荡阈值功率，对产生的泵浦激光进行调制，调制信号的频率与光学微腔的自由频谱宽度一致，调制信号幅度根据光学微腔的三阶色散值来计算得到，将相位调制后的泵浦激光通过微腔耦合器耦合进入光学微腔，控制耦合系数使得光学微腔工作在临界耦合状态，在光学微腔中，从长波长方向向短波长方向扫描泵浦激光，在光学微腔输出端采集输出泵浦激光的光谱，一旦当前泵浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止扫描。

本发明具有以下有益效果：

(1)根据光学微腔参数来设置泵浦激光功率、相位调制信号的频率与幅度，可以使光梳的产生及孤子锁模过程具有确定性，并且可以避免高阶色散对孤子锁模的扰动；

(2)采用长波长向短波长扫描，可以使扫描过程中光学微腔内总功率维持相对稳定，使整个光学微腔可以保持在热稳定状态。

附图说明

图1是光学微腔克尔光梳产生装置示意图；

图2是本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法的流程图；

图3是相位调制后的泵浦激光频谱图；

图4是具有平滑包络的克尔光梳频谱图；

图5是模式锁定后的孤子脉冲波形；

图6是孤子锁模过各中光学微腔内总功率变化曲线；

图7是微腔内孤子脉冲和泵浦背景有效失谐量的变化图；

图8克尔光梳产生过程中频谱的动态演化图；

图9是10次独立孤子锁模过程输出光谱的叠加图；

图10是相位调制幅度为3时光学微腔内波形动态演化图；

图11是相位调制系数为0.3时的泵浦光谱图；

图12是相位调制幅度为0.3时光学微腔内波形动态演化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是光学微腔克尔光梳产生装置示例图。如图1所示，光学微腔克尔光梳产生装置包括泵浦激光模块、泵浦调制模块、光学微腔模块和输出监测模块。本实施例中采用可调谐激光器作为泵浦激光模块，输出波长可调的连续光，通过光纤输入到泵浦调制模块。在泵浦调制模块中，连续光泵浦首先经过偏振控制器，然后进入到光电相位调制器。正弦信号发生器产生正弦信号，作为调制信号输入相位调制器。相位调制器采用调制信号对连续光泵浦进行调制，相位调制器的插入损耗由一个光放大器进行补偿，然后再经过一个带通滤波器，滤除光放大器引入的自发辐射噪声。通过相位调制器后，泵浦光频谱将出现了多个调制边带。相位调制后的泵浦激光通过微腔耦合器耦合进入光学微腔。在光学微腔中对泵浦激光进行波长扫描。将光学微腔的输出端通过光纤与一个光谱仪相连，用于监测克尔光梳的产生与模式锁定状态。

本发明针对泵浦激光的生成、调制以及光学微腔扫描过程进行改进，提出了光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法。图2是本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法的流程图。如图2所示，本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法包括以下步骤：

S201：产生泵浦激光：

产生泵浦激光，泵浦激光功率P_pump设置为小于为光学微腔中产生参量振荡阈值功率的值，即P_pump的计算公式为：

$P_{pump}=1.54\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{{n_0}^2{V}_{eff}}{n_2{\mathrm{\λ}}_L{Q}^2}$

其中，n₀为光学微腔折射率，V_eff为光学微腔的等效模式体积，λ_L表示光学微腔谐振峰的波长，n₂为光学微腔的非线性折射率，Q为光学微腔的品质因子，α为泵浦功率控制因子，其取值范围为0＜α＜1。

设置泵浦激光功率小于参量振荡阈值，可以使得光学微腔中克尔光梳的产生完全由相位调制边带直接的四波混频产生，避免通过参量放大噪声来产生调制不稳定性边带，从而保证所述光频率梳的产生及孤子锁模过程具有确定性。不过泵浦激光的功率也不宜过小，一般设置α的取值范围为0.5≤α≤0.8。

S202：泵浦激光相位调制：

采用泵浦调制模块对泵浦激光进行相位调制，调制信号的频率与光学微腔的自由频谱宽度(FSR)一致，调制信号的幅度A_m＝2+0.25D₃×10³⁹，其中D₃表示光学微腔的三阶色散值。根据光学微腔的三阶色散参数设置泵浦激光相位调制所采用的调制信号的幅度，可以根据三阶色散大小产生多个调制边带，使得在光梳产生及孤子锁模过程中最终产生的耗散腔孤子的群速度与相位调制泵浦的群速度一致，避免泵浦波形与孤子脉冲波形走离，有助于实现泵浦对孤子脉冲的快速锁定。

S203：向光学微腔输入泵浦激光：

将相位调制后的泵浦激光通过微腔耦合器耦合进入光学微腔，控制耦合系数使得光学微腔工作在临界耦合状态。

S204：泵浦激光扫描：

泵浦激光进入光学微腔后，先将泵浦激光的初始波长置于光学微腔谐振峰的长波长方向，偏移量设为泵浦谐振频率相邻自由频谱宽度FSR的20％，也就是说泵浦激光的初始波长为λ₀＝cλ_L/(c-0.2FSR×n₀λ_L)，其中λ_L表示光学微腔谐振峰的波长，c表示光速，FSR为微腔的自由频谱宽度。然后从初始波长λ₀(即长波长方向)向短波长扫描泵浦激光，即将泵浦激光的波长递减，在光学微腔输出端采集输出泵浦激光的光谱，如果当前泵浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止扫描，否则继续减小波长。

在光学微腔的输出端监测到具有平滑包络的光梳频谱，则表明强度调制泵浦的峰值部分在非线性相移的作用下自发地、快速地从红失谐状态进入蓝失谐状态，在腔内产生耗散腔孤子并实现孤子锁模，此时迅速停止泵浦激光的波长扫描。在现有技术中，一般是使用从短波长向长波长进行扫描，但是本发明在研究过程中发现，采用长波长向短波长扫描可以使扫描过程中微腔内总功率维持相对稳定，使高峰值功率的孤子脉冲处于蓝失谐状态，而低峰值功率的泵浦处于红失谐状态，二者大小相当，整个微腔可以保持在热稳定状态。

本实施例中，在进行波长扫描时采用离散分步的方式，扫描步长转换为频率单位为0.05×L₀，L₀为光学微腔谐振模式的线宽。

对于泵浦激光的光谱，要判断其是否具有平滑包络，可以采用人为直接观测的方式，但是人为直接观测的话存在一定主观影响，因此本实施例中还提出了一种自动检测光谱是否具有平滑包络的方法，其具体方法为：对于采集到的输出泵浦激光的光谱，提取当前泵浦激光波长两侧M_s若干个光梳谱线的峰值功率，M_s≥1，也就是说记当前泵浦激光波长对应模式的序号为0，所提取峰值功率的光梳谱线模式序号为[-M_s,-1]∪[1,M_s]。一般设置M_s＝0.3×M_comb，M_comb表示产生光谱频谱的40dB频谱宽度。然后将提取到的光梳谱线峰值功率进行微分运算，如果满足泵浦激光波长短波方向(即[-M_s,-1])的微分结果全部为正，长波方向(即[1,M_s])的微分结果全部为负，则判定其具有平滑包络。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体的实施例进行了实验验证。本次实验中所采用的光学微腔克尔光梳产生装置即如图1所示。光学微腔采用二氧化硅光学微腔，其参数为：自由频谱宽度FSR＝20GHz，品质因子Q＝2.5×10⁹，谐振模式线宽为190kHz，折射率系数n₀＝1.5，等效模式体积V_eff＝10^-10m³，谐振波长λ_L＝1560nm，非线性增益系数n₂＝2.6×10^-20m²/W，二阶色散D₂＝6×10^-26s²/m，三阶色散D₃＝4×10^-39s³/m。

本实施例中，设置泵浦功率控制因子α＝0.7，根据光学微腔的参数可以计算泵浦激光的功率P_pump＝1.5mW。生成的泵浦激光进入泵浦调制模块进行相位调制，调制信号的频率与FSR相同为20GHz，根据三阶色散可以计算得到调制信号的幅度A_m＝3。图3是相位调制后的泵浦激光频谱图。如图3所示，调制后的泵浦激光频谱在80dB范围内有20个调制边带。由于本实施例中，相位调制器的插入损耗通过一个光放大器EDFA进行补偿，因此调制后泵浦激光的功率仍为1.5mW。

经过相位调制的泵浦激光通过微腔耦合器进入光学微腔。本实施例中，微腔耦合器采用拉锥光纤，通过控制拉锥光纤与光学微腔之间的间隙，使光学微腔工作在临界耦合状态。

接下来对泵浦激光进行波长扫描。本实施例中，光学微腔的一个谐振波长为1560.0nm，由于泵浦激光的初始波长设置为谐振波长向长波长方向偏移FSR的20％，因此可以计算得到初始波长为1560.05nm。然后，缓慢从长波长向短波长扫描泵浦激光。本实施例中采用离散分步的方式扫描泵浦波长，扫描步长转换为频率单位为0.05×L₀，即9.5kHz。泵浦激光波长每扫描一个步长，发送触发信号到光谱仪采集一次光学微腔的输出光谱，采集完成后提取泵浦激光波长两侧M_s个光梳谱线的峰值功率。将提取的光梳谱线峰值功率进行微分运算，若满足泵浦激光波长短波方向微分结果全部为正，长波方向微分结果全部为负，此时停止泵浦激光扫描，否则继续泵浦激光扫描。本实施例中，泵浦激光扫描了3.99GHz后得到平滑光谱。图4是具有平滑包络的克尔光梳频谱图。根据图4可以看出，此时腔内产生耗散腔孤子并实现孤子锁模，应当停止泵浦激光的波长扫描，从而使孤子模式锁定。图5是模式锁定后的孤子脉冲波形。

为了说明本发明在克尔光梳产生和锁模过程中维持热稳定的作用，在整个波长扫描过程中对光学微腔内总功率的变化情况进行监测。图6是孤子锁模过各中光学微腔内总功率变化曲线。如图6所示，在波长扫描至孤子锁模过程中，光学微腔内光功率的变化率不超过10％。图7是微腔内孤子脉冲和泵浦背景有效失谐量的变化图。如图7所示，在锁模过程中，高峰值功率的孤子脉冲和低峰值功率的泵浦激光分别处于蓝失谐和红失谐状态下，因此整个光学微腔可以维持热稳定。

为了说明本发明在实现确定性克尔光梳锁模方面的效果，对光学微腔中克尔光梳产生过程中频谱的动态数值进行了模拟。图8克尔光梳产生过程中频谱的动态演化图。如图8所示，克尔光梳的产生开始于各个泵浦调制边带之间的四波混频过程。并且随着光学微腔内光功率的不断积累，光梳频谱逐渐向两边展宽，并最终稳定为锁模孤子频谱。在此过程中，光梳没有进入混沌的状态，说明受到参量放大的噪声可忽略，即整个克尔光梳的孤子锁模过程是确定性的。

为了证明本发明的有效性和稳定性，进行了10次独立锁模。图9是10次独立孤子锁模过程输出光谱的叠加图。如图9所示，10次独立的锁模过程的结果完全一致。

为了说明本发明提出的泵浦相位调制产生多个边带对微腔内孤子脉冲的锁定作用，采用了两个不同调制信号幅度进行了对比实验。首先采用本发明计算得到的相位调制幅度3进行实验。图10是相位调制幅度为3时光学微腔内波形动态演化图。图10展示了光学微腔中锁模孤子波形在100000个环绕周期内的动态演化数值模拟结果，可见，孤子脉冲产生后迅速地被锁定在泵浦波形的固定位置。作为对比，设置相位调制幅度为0.3进行实验。图11是相位调制系数为0.3时的泵浦光谱图。如图11所示，此时调制后的泵浦激光频谱在80dB范围内只有6个调制边带。图12是相位调制幅度为0.3时光学微腔内波形动态演化图。如图12所示，可以明显的看到此时在光学微腔内建立的泵浦波形与孤子波形发生了严重的走离，从而导致克尔光梳无法实现孤子锁模。图10和图12的对比充分体现了本发明所提出的根据光学微腔色散来确定泵浦激光相位调制幅度的必要性，通过合理设置相位调制幅度，从而快速的实现孤子的确定性锁模。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：产生泵浦激光，泵浦激光功率P_pump根据以下公式计算得到：

$P_{pump}=1.54\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{{n_0}^2{V}_{eff}}{n_2{\mathrm{\λ}}_L{Q}^2}$

其中，n₀为光学微腔折射率，V_eff为光学微腔的等效模式体积，λ_L表示光学微腔谐振峰的波长，n₂为光学微腔的非线性折射率，Q为光学微腔的品质因子，α为泵浦功率控制因子，其取值范围为0＜α＜1；

S2：对泵浦激光进行相位调制，调制信号的频率与光学微腔的自由频谱宽度一致，调制信号的幅度A_m＝2+0.25D₃×10³⁹，其中D₃表示光学微腔的三阶色散值；

S3：将相位调制后的泵浦激光通过微腔耦合器耦合进入光学微腔，控制耦合系数使得光学微腔工作在临界耦合状态；

S4：泵浦激光进入光学微腔后，泵浦激光的初始波长λ₀＝cλ_L/(c-0.2FSR×n₀λ_L)，其中，λ_L表示光学微腔谐振峰的波长，c表示光速，FSRR为微腔的自由频谱宽度；然后从初始波长λ₀向短波长扫描泵浦激光，在光学微腔输出端采集输出泵浦激光的光谱，一旦当前泵浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止扫描。

2.根据权利要求1所述的确定性孤子锁模方法，其特征在于，所述步骤S1中泵浦功率控制因子α的取值范围为0.5≤α≤0.8。

3.根据权利要求1所述的确定孤子锁模方法，其特征在于，所述步骤S4中波长扫描采用离散分步的方式，扫描步长转换为频率单位为0.05×L₀。

4.根据权利要求1所述的确定性孤子锁模方法，其特征在于，所述步骤S4中判断光谱是否具有平滑包络的方法为：对于采集到的输出泵浦激光的光谱，提取当前泵浦激光波长两侧M_s个光梳谱线的峰值功率，然后将提取到的光梳谱线峰值功率进行微分运算，如果满足泵浦激光波长短波方向微分结果全部为正，长波方向微分结果全部为负，则判定其具有平滑包络。

5.根据权利要求4所述的确定性孤子锁模方法，其特征在于，所述参数M_s＝0.3×M_comb，M_comb表示产生光谱频谱的40dB频谱宽度。