CN107104353A - 一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统及方法。本发明属于一种光频梳产生系统领域，具体涉及一种基于微环谐振腔的双光频梳产生系统及方法，系统包括环形谐振腔及通过保偏光纤与环形谐振腔相连的双光频梳分离系统；环形谐振腔包括通过腔内保偏光纤连接的光学放大器、光隔离器、第一偏振控制器、微环谐振腔和光学滤波器；双光频梳分离系统包括通过保偏光纤相连接的偏振光分束器和第二偏振控制器；微环谐振腔为具有四端口的非线性微环谐振腔。该系统利用了波导结构的非对称性，使波导的TE模式和TM模式具有不同的折射率，同时激励两个模式，产生两套具有不同偏振方向和重频的宽带光频梳。通过正交偏振双频梳的分离和偏振旋转，从而得到同偏的超高重频宽带光频梳。

Description

一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统及方法
技术领域
本发明涉及一种光频梳产生系统，具体涉及一种基于微环谐振腔的双光频梳产生系统及方法，更具体的涉及一种自锁定的基于微环谐振腔的双光频梳产生系统及方法，且两个光频梳在同一个微环谐振腔内产生。
背景技术
光频梳是一种离散的、等频率间距的梳状光谱。而双光频梳是由两个频率间隔略有不同的两个光频梳构成，在原子分子光谱学、任意光信号特征测量、纳米精度的距离测量和微波光子学等领域有着重要应用。
在双光频梳光谱测量中，一个重频为f的光频梳作为信号，用另一个重频为f+Δf(Δf＜＜f)的光频梳对信号频梳进行采样，使用数据采集卡采集双光频梳的时域信号，通过傅立叶变换还原待测物体的频域信息。为避免射频谱的交叠，光频梳的带宽需要满足Δv≤f2/2Δf，此时有效的采样时域步长为Δf/f2，最小的采样时间为1/Δf。因此提升光频梳的重频并适当的增加两个光频梳的重频差，可以有效的提升双光频梳光谱测量的精度和速度。
传统上双光频梳由两个独立运行的飞秒锁模激光器或两个频率相互锁定的超短脉冲锁模激光器产生。两个锁模激光器的激光腔长度存在微小的差别，使两个锁模激光器具有不同的重复频率。在频域上，相邻的两个频梳梳齿之间存在精确确定的频率差，用光电探测器探测后得到频率间隔为Δf的射频频梳，从而将信号的频率从光频转换到射频域，易于使用现有的电学设备(如示波器、频谱仪、数据采集卡等)进行测量检测。其测量精度相对于传统傅立叶光谱分析仪具有更高的测量精度、灵明度和测量速度，因此双光频梳测量近年来得到快速的发展。
基于锁模激光器的光频梳受限于激光器腔长，其重频通常只有几MHz到数十MHz，采用光调制技术可以产生频率间隔为数十GHz的光频梳，然而其频率间隔受限于光电调制器和射频信号发生器，且随着频率的提升，其成本将极剧的增长，不利于规模化应用。近年来发展起来的微腔光频梳在重频方面具有先天性优势，正好弥补了传统光频梳技术的不足。已经报道的微腔克尔双光频梳都是使用两个微环谐振腔分别产生一个光频梳，再将两个光频梳耦合在一起形成光频梳，此类双光频梳需要将两个光频梳的泵浦光进行频率锁定，且需要同时稳定两个微环的工作环境，因此结构复杂，成本昂贵，系统稳定性较差。
发明内容
为了克服现有的双光频梳产生系统结构复杂、成本高及系统稳定性差的问题，针对高精度分子光谱分析、微波信号产生等领域对高重频双光频梳的需求，本发明提供了一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统及方法，该系统利用了波导结构的非对称性，使波导的TE模式和TM模式具有不同的折射率，从而使微环谐振腔的两个偏振模式具有不同的自由光谱范围，同时激励两个模式，产生两套具有不同偏振方向和重频的宽带光频梳。通过正交偏振双频梳的分离和偏振旋转，从而得到同偏的超高重频宽带光频梳。
本发明的技术方案是提供一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括环形谐振腔1及通过保偏光纤17与环形谐振腔1相连的双光频梳分离系统2；
上述环形谐振腔1包括通过腔内保偏光纤17连接的光学放大器11、光隔离器12、第一偏振控制器13、微环谐振腔14和光学滤波器16；
上述双光频梳分离系统2包括通过保偏光纤相连接的偏振光分束器21和第二偏振控制器22；
上述微环谐振腔14为具有四光端口的非线性微环谐振腔，四光端口分别为drop端口149、Through端口147、Input端口146及Add端口148。
上述微环谐振腔14的drop端口149通过保偏光纤与光学滤波器16连接，Through端口147通过保偏光纤与偏振光分束器21的输入端连接。
优选地，该系统还包括光纤分束器15，光纤分束器15的输入端与微环谐振腔14的drop端口149连接，光纤分束器15的两个输出端口分别与偏振光分束器21和光学滤波器16的输入端连接。
优选地，上述的微环谐振腔14包括衬底141、位于衬底141上的第一直波导143、第二直波导144和环形波导145；上述环形波导145分别与第一直波导143和第二直波导144通过倏逝波进行耦合；其间距直接影响耦合的强度，进而决定微环谐振腔14的品质因子；上述第一直波导143的两端分别为Input端口146和Through端口147；上述第二直波导144的两端分别为Drop端口149和Add端口148；环形谐振腔内的谐振光信号从Input端口146进入环形波导145，并从Drop端口149与through端口147输出或单独从Drop端口149输出。
优选地，上述微环谐振腔14的品质因子Q＞105，其构成微环谐振腔的波导具有弱负色散系数，并且具有较高的非线性系数。
优选地，上述的光学放大器11、光隔离器12、第一偏振控制器13、微环谐振腔14、光纤分束器15和光学滤波器16首尾依次相连。
优选地，上述光学放大器11是掺铒光纤放大器或铒镱共掺光纤放大器；上述光隔离器12是带尾纤的光隔离器或空间光隔离器；上述第一偏振控制器13是机械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器；上述光分束器15为垃锥型光纤分束器、平面光波导分束器或空间光分束器；上述的光学滤波器16为窄带带通可调光学滤波器或者为窄带双波长可调光学滤波器或者为波长选择开关或者为光纤光栅滤波器。
优选地，光隔离器采用空间光隔离器，其嵌入基于玻片的偏振控制器中。
优选地，上述的第二偏振控制器22是机械式偏振控制器或者是基于玻片的偏振控制器或者是90度法拉第偏振旋转器。
优选地，上述偏振光分束器21包括两个输出端口，上述的第二偏振控制器22位于偏振光分束器21的任一个输出端口。
本发明还提供一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生方法，包括以下步骤：
1)打开光学放大器11，并设置其输出功率，产生自发辐射光信号；
2)自发辐射光信号在环形谐振腔1内单向传输，经过微环谐振腔14形成梳状光谱；所述梳状光谱中包括TE模式和TM模式的光信号；
3)调节光学滤波器16的中心波长和带宽，使只有微环谐振腔14的一对TE模式和TM模式的光信号通过；
4)增大光学放大器11的输出功率，并调节第一偏振控制器13使TE模式和TM模式的光同时在环形谐振腔内振荡形成激光，并使两个模式的光强相等；
5)继续提升光学放大器11的输出功率，当环形谐振腔内的光场强度达到微环谐振腔14光参量振荡的阈值时，在微环谐振腔14内将产生光参量振荡形成光频梳；
6)进一步调节第一偏振控制器13使TE模式光频梳和TM模式光频梳的强度相等；
7)调节第二偏振控制器22使环形谐振腔输出的两个光频梳具有相同的偏振态。
本发明的优点是：
1、使用单个微环谐振腔产生双光频梳
本发明利用微环谐振腔的两个偏振模式具有不同的自由光谱范围的特性，当微环谐振腔的两个偏振模式同时被激励，可以产生偏振方向正交的两个频梳。偏振正交的双光频梳易于实现光频梳的分离和控制。相对于将两个独立的基于微环谐振腔的光频梳合并为单个光频梳的技术方案，具有结构简单，易于控制等优点，目前还没有采用单个微环谐振腔产生双光频梳的报道。
2、消除了基于微环谐振腔光频梳产生系统的自终止现象
本发明将微环谐振腔嵌入到闭合的光纤环形腔中，作为光纤环形腔的一个组成部分，微环谐振腔自身与光学滤波器一起作为谐振波长选择器件，可使产生光频梳的泵浦光波长与四端口微环谐振腔的谐振波长一致，从而使整个系统实现自锁定，因此该光频梳系统对温度和振动具有很强的免疫能力，消除了传统外部谐振注入泵浦光产生光频梳时易出现自终止的问题。
3、所产生的双频梳具有极高重频
本发明基于微环谐振腔产生双光频梳，光频梳的重频直接由微环谐振腔的自由光谱范围决定，因此可以通过设计微环谐振腔的长度，可以得到重频高达数百GHz的光频梳。此类光频梳在微波光子学领域的应用具有先天性的优势。并且各个光频梳的重频差可以通过设计波导的结构进行控制。
4、该系统结构简单，成本低廉，易于实现批量化制作
本发明系统中的微环谐振腔由CMOS兼容工艺制作，有利于批量化制作；系统中的其它器件皆为通用的光纤器件，都已商业化，成本非常低廉；该系统有利于系统集成，甚至可以片上集成，符合现代光学系统向小型化和集成化发展的趋势。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明采用的四端口微环谐振腔的结构示意图；
图3为微环谐振腔的滤波特性实验测试图；
图4为微环谐振腔的TE模式和TM模式的自由光谱范围测试结果图；
图5(a)为实验得到的正交双光频梳光谱图；
图5(b)为实验得到的波长范围在1554nm～1562nm的正交双光频梳光谱图；
图6(a)为实验得到的光频梳1的光谱图；
图6(b)为实验得到的光频梳2的光谱图。
其中，1-环形谐振腔；11-光学放大器；12-光隔离器；13-第一偏振控制器；14-微环谐振腔；141-衬底；142-包层；143-第一直波导；144-第二直波导；145-环形波导；146-Input端口；147-Through端口；148-Add端口148；149-Drop端口；15-光纤分束器；16-光学滤波器；17-保偏光纤；
2-双光频梳分离系统；21-偏振光分束器；22-第二偏振控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
从图1可以看出，本发明基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统包括产生正交双光频梳的环形谐振腔1和双光频梳分离系统2两个部分。环形谐振腔1包括依次通过腔内保偏光纤17连接的光学放大器11、光隔离器12、第一偏振控制器13、微环谐振腔14、光纤分束器15和光学滤波器16。图中各器件是依次连接的，但在具体的实施过程中对各个器件的前后连接顺序没有特殊要求。
双光频梳分离系统2包括通过保偏光纤17相连接的偏振光分束器21和第二偏振控制器22。环形谐振腔1产生的正交双光频梳通过光纤分束器15的一个输出端进入双光频梳分离系统2中的偏振光分束器21。双光频梳分离系统2用来分离两个光频梳，并将其中一个光频梳的偏振旋转90度，使两个光频梳具有相同的偏振态。
上述各光学组件在本发明中的作用是：
光学放大器11为本发明的正交双光频梳产生系统提供能量，用来产生偏振正交的两个泵浦激光，所产生激光用于泵浦四端口微环谐振腔14产生光参量振荡，从而形成光频梳。
光隔离器12用于保证激光信号在环形谐振腔1的环形腔内单向传输，形成单向的激光振荡输出。光隔离器12可以是带尾纤的光隔离器或空间光隔离器。
第一偏振控制器13用于调整光纤环形腔内激光信号的偏振状态，使TE模式和TM模式的两个波长同时产生激光。同时第一偏振控制器13还用于调节两个偏振方向光信号强度的作用，使产生的两个光频梳具有相同的能量。第一偏振控制器13可以是机械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器或其它类型的偏振控制器。如果光隔离器选用空间光隔离器，则可以嵌入基于玻片的偏振控制器中。
微环谐振腔14在该系统中具有四个作用：首先作为窄带宽梳状滤波器，与光学滤波器16共同选择激光的谐振波长；其次其两个偏振模式具有不同的自由光谱范围，用于决定双光频梳的重频与重频差；再次微环谐振腔还是产生光参量振荡的核心器件，双光频梳正是在微环谐振腔14中形成；最后微环谐振腔14的through端口147还可以直接作为双光频梳的输出端口而取代环形谐振腔1中的光纤分束器15，与偏振光分束器21直接连接。本实施例中微环谐振腔14是一种由高非线性系数材料制作的具有四光端口的非线性微环谐振腔，其非线性系数γ＝110W-1·km-1，二阶色散系数β2＝-33.65ps2/km。四端口微环谐振腔具有高品质因子，通常Q＞105，本实施例中为1.45×106。其自由光谱范围为49GHz，组成微环谐振腔的所有波导截面尺寸为2μm×3μm。图3为该微环谐振腔的滤波特性实验测试图。图4是微环谐振腔的两个模式TE模式和TM模式的自由光谱范围随波长的变化图。由图2可知四端口微环谐振腔14包括衬底141、包层142、第一直波导143、第二直波导144和环形波导145，第一直波导143的两端分别为Input端口146和Through端口147，相应地，第二直波导144的两端分别为Drop端口149和Add端口148。由环形谐振1振荡形成的泵浦光从Input端口146进入微环谐振腔14，在微环谐振腔14中形成的光频梳信号从其Drop端口149与through端口147输出或单独从Drop端口149输出。
光分束器15用于从环形腔中提取一部分能量作为整个激光器的输出，分束器可以为任何形式的光分束器，如光纤垃锥分束器、平面波导分束器等。
光学滤波器16选择双光频梳产生系统的泵浦波长，光学滤波器16可以是窄带宽的带通滤波器，或者窄带宽双波长滤波器或波长选择开关等。
偏振分束器21用于将从环形谐振腔1输出的两个光频梳分离开来，其中一路直接作为整个系统的一路输出，另一路经过一个偏振控制器后输出。
第二偏振控制器22用于将光信号的偏振态旋转90度，使其偏振态与偏振分束器21另一路输出的光信号相同。第二偏振控制器22可以是1/2波片，或者法拉第偏振旋转器或者其它偏振控制器。
保偏光纤17用于连接上述的各光学器件，同时保证光信号的偏振态在光信号传输过程中保持不变。
本发明的具体实验过程及实验结果如下：
设置光学放大器的输出功率，光学放大器输出自发辐射光谱，自发辐射光信号在环形谐振腔内单向传输，自发辐射谱经过微环谐振腔后形成梳状光谱。此时调节光学滤波器的中心波长和带宽，使只有一对TE模式和TM模式的光信号通过，从而只有被光学滤波器选择的波长具有较高增益。随着光学放大器增益的增加，被光学滤波器选择的波长形成激光，并作为光频梳产生的泵浦光，而其它波长被抑制。继续增加光学放大器的输出功率，当微环谐振腔内的泵浦光能量达到光参量振荡阈值后，在微环谐振腔内产生新的频谱成分，新产生的光信号经微环谐振腔谐振选择后形成具有等间隔的梳状光谱，产生的光频梳能量随着光纤放大器输出功率的增加而增加，此时通过调节偏振控制器以均衡两个模式光频梳的能量。当光学放大器的输出功率达到1.5W时，得到的光频梳如图5(a)所示，图5(b)展示了泵浦光附件的光谱细节。
通过上面过程得到两个光频梳的偏振状态彼此正交，为得到同偏振态的光频梳，将从光纤分束器输出的光频梳输入到一个偏振分束器中，两个不同偏振态的光频梳将分别从偏振分束器的两个输出端输出。将其中的一个光频梳的偏振态使用偏振控制器旋转90度，从而使两个光频梳的偏振态相一致。图6(a)和图6(b)为双光频梳系统最终得到的光频梳光谱图。
综上所述，本发明提出的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统解决了目前飞秒锁模激光器光频梳重频低，不利于实现在微波光子学领域应用的困难，也克服了使用两个微环谐振腔分别产生光频梳并合并为双光频梳的系统复杂性。该系统采用自锁定的技术方案，系统工作稳定，有效的避免了外泵浦技术方案的失锁问题。采用该技术方案产生的双光频梳将在原子、分子光谱学，微波光子学等领域具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：包括环形谐振腔(1)及通过保偏光纤(17)与环形谐振腔(1)相连的双光频梳分离系统(2)；
所述环形谐振腔(1)包括通过腔内保偏光纤(17)连接的光学放大器(11)、光隔离器(12)、第一偏振控制器(13)、微环谐振腔(14)和光学滤波器(16)；
所述双光频梳分离系统(2)包括通过保偏光纤相连接的偏振光分束器(21)和第二偏振控制器(22)；
所述微环谐振腔(14)为具有四端口的非线性微环谐振腔，四端口分别为drop端口(149)、Through端口(147)、Input端口(146)及Add端口(148)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述微环谐振腔(14)的drop端口(149)通过保偏光纤与光学滤波器(16)连接，Through端口(147)通过保偏光纤与偏振光分束器(21)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：还包括光纤分束器(15)，光纤分束器(15)的输入端与微环谐振腔(14)的drop端口(149)连接，光纤分束器(15)的两个输出端分别与偏振光分束器(21)和光学滤波器(16)的输入端连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述的微环谐振腔(14)包括衬底(141)、位于衬底(141)上的第一直波导(143)、第二直波导(144)和环形波导(145)；所述环形波导(145)分别与第一直波导(143)和第二直波导(144)通过倏逝波进行耦合；所述第一直波导(143)的两端分别为Input端口(146)和Through端口(147)；所述第二直波导(144)的两端分别为Drop端口(149)和Add端口(148)；环形谐振腔内的谐振光信号从Input端口(146)进入环形波导(145)，并从Drop端口(149)或/与through端口(147)输出。
5.根据权利要求4所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述微环谐振腔(14)的品质因子Q＞105。
6.根据权利要求4所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述的光学放大器(11)、光隔离器(12)、第一偏振控制器(13)、微环谐振腔(14)、光纤分束器(15)和光学滤波器(16)首尾依次相连。
7.根据权利要求6所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述光学放大器(11)是掺铒光纤放大器或铒镱共掺光纤放大器；所述光隔离器(12)是带尾纤的光隔离器或空间光隔离器；所述第一偏振控制器(13)是机械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器；所述光分束器(15)为垃锥型光纤分束器、平面光波导分束器或空间光分束器；所述的光学滤波器(16)为窄带带通可调光学滤波器或者为窄带双波长可调光学滤波器或者为波长选择开关或者为光纤光栅滤波器。
8.根据权利要求7所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述的第二偏振控制器(22)是机械式偏振控制器或者是基于玻片的偏振控制器或者是90度法拉第偏振旋转器。
9.根据权利要求7所述的基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统，其特征在于：所述偏振光分束器(21)包括两个输出端口，所述的第二偏振控制器(22)位于偏振光分束器(21)的任一个输出端口。
10.一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)打开光学放大器(11)，并设置其输出功率，产生自发辐射光信号；
2)自发辐射光信号在环形谐振腔(1)内单向传输，经过微环谐振腔(14)形成梳状光谱；所述梳状光谱中包括TE模式和TM模式的光信号；
3)调节光学滤波器(16)的中心波长和带宽，使只有微环谐振腔(14)的一对TE模式和TM模式的光信号通过；
4)增大光学放大器(11)的输出功率，并调节第一偏振控制器(13)使TE模式和TM模式的光同时在环形谐振腔内振荡形成激光，并使两个模式的光强相等；
5)继续提升光学放大器(11)的输出功率，当环形谐振腔内的光场强度达到微环谐振腔(14)光参量振荡的阈值时，在微环谐振腔(14)内将产生光参量振荡形成光频梳；
6)进一步调节第一偏振控制器(13)使TE模式光频梳和TM模式光频梳的强度相等；
7)调节第二偏振控制器(22)使环形谐振腔输出的两个光频梳具有相同的偏振态。
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