CN107465108A - 基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置与方法 - Google Patents

基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置与方法，属于多波长激光技术领域，包括第一可调谐外腔式连续半导体激光器、第二可调谐外腔式连续半导体激光器、3dB耦合器、光放大器、偏振控制器及环形腔；其中，环形腔由环行器、高非线性光纤、隔离器及10dB耦合器组成；光信号进入到3dB耦合器中，3dB耦合器将两个光信号合束后输入到光放大器进行放大，放大后的双波长泵浦光通过偏振控制器，经由环行器，泵浦环形腔中的高非线性光纤，达到光纤中受激布里渊散射效应阈值后产生双波长布里渊激光，双波长布里渊激光的传播方向与双波长泵浦光传播方向相反，通过级联四波混频效应产生光频率梳，产生的光频梳经由10dB耦合器输出。

Description

基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置与方法
技术领域
本发明属于多波长激光技术领域，具体涉及一种基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置与方法。
背景技术
光频率梳在光纤通信、微波光子学、任意波形产生、光谱学、遥感、测距等领域有巨大的应用价值，实现大范围频率间隔可调的宽带宽、高信噪比、窄线宽光频率梳对上述应用有着重要意义。几十年来，人们利用被动锁模光纤激光器、光电调制器、光学微腔来产生光频率梳，但是上述方案频率间隔可调谐程度有限，一般基于被动锁模光纤激光器与光学微腔产生的光频率梳的频率间隔是环形腔的纵模间隔，所以其频率间隔调谐能力有限。基于光电调制器产生的光频率梳的最大可调谐频率间隔受制于射频信号源的最高输出频率，目前商用射频信号源的最高输出频率一般小于100GHz。目前，可以产生频率间隔大范围可调谐从GHz量级到THz量级的光频率梳的技术方案是，通过放大后的窄线宽双波长连续激光泵浦高非线性光纤，利用非简并四波混频效应来产生光频率梳，其频率间隔即为双波长连续激光的频率间隔。但是，对于该技术方案，面临的问题有三个，第一，放大后的窄线宽连续激光在光纤传播过程中会发生受激布里渊散射效应，该效应会大大减弱正向传播泵浦光的强度，由此限制生成的光频率梳的带宽与根数,目前主要克服方法是对高非线性光纤进行随长度变化的张力控制，这会提高光频率梳激光系统的复杂性。第二，光放大器会引入放大的自发辐射，使得双波长泵浦光以及产生频率梳梳齿的信噪比变差。第三，双波长泵浦光中存在的强度噪声，相位噪声在产生高阶梳齿过程中会展宽高阶梳齿的线宽，梳齿的阶数越高，线宽越宽。
综上，如何产生大范围频率间隔可调、宽带宽、高信噪比、窄线宽的光频率梳是一项全新的技术挑战。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置与方法来实现大范围频率间隔可调、宽带宽、高信噪比、窄线宽光频率梳。该装置具有全光纤结构、易于配置和操作等优点。
本发明通过如下技术方案实现：
基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置，包括第一可调谐外腔式连续半导体激光器、第二可调谐外腔式连续半导体激光器、3dB耦合器、光放大器、偏振控制器及环形腔；
其中，环形腔由环行器、高非线性光纤、隔离器及10dB耦合器组成；环行器从端口1到端口2导通，从端口2到端口3导通，从端口2到端口1隔离，从端口3到端口2隔离；第一可调谐外腔式连续半导体激光器及第二可调谐外腔式连续半导体激光器产生的光信号进入到3dB耦合器中，3dB耦合器将两个光信号合束后输入到光放大器进行放大，放大后的双波长泵浦光通过偏振控制器，经由环行器从端口1到端口2注入腔内，泵浦环形腔中的高非线性光纤，达到光纤中受激布里渊散射效应阈值后产生双波长布里渊激光，产生的双波长布里渊激光的传播方向与双波长泵浦光传播方向相反，经由环行器从端口2到端口3在环形腔内逆时针循环运转，通过级联四波混频效应产生光频率梳，产生的光频梳经由10dB耦合器输出。
进一步地，所述的第一可调谐外腔式连续半导体激光器的中心波长可调谐范围为1480-1620nm，输出激光线宽范围为1kHz-50MHz，输出实测功率范围为1mW-15mW、第二可调谐外腔式连续半导体激光器的中心波长可调谐范围为1480-1620nm，输出激光线宽范围为1kHz-50MHz，输出实测功率范围为1mW-15mW。
进一步地，所述的3dB耦合器的插入损耗为3.07dB；所述的光放大器为掺杂稀土元素的光纤放大器或半导体放大器；所述偏振控制器为三环型机械式光纤偏振控制器；所述环行器为三端口环行器，端口1到端口2以及端口2到端口3的插入损耗为0.5dB，端口2到端口1以及端口3到端口2的隔离损耗为55dB；所述高非线性光纤为石英光纤、碲酸盐光纤、铅硅酸盐光纤、氟化物光纤、硫化物光纤、硒化物光纤、氟碲酸盐光纤、铋酸盐光纤、硼硅酸盐光纤或蓝宝石光纤，其非线性系数为10w-1m-1，光纤损耗为1.5dB/km；所述隔离器，隔离器插入损耗0.68dB，隔离损耗56dB；所述的10dB耦合器为四端口耦合器，10％输出端口插入损耗11dB，90％插入损耗为0.54dB。
进一步地，环形腔中的环行器端口2和高非线性光纤之间还包括无源器件，无源器件的作用是当双波长泵浦光入射该器件时，一部分光会被其反射，改变传播方向，剩下的光透射，不会改变传播方向，该器件只改变双波长泵浦光的反射与透射之间能量分配。该器件的加入可以使得我们获得宽带的以布里渊频移(10GHz左右)为频率间隔的频率梳。但是该器件的加入也使得频率梳的频率间隔不再具有可调谐性，只作为产生具有特定的频率间隔(布里渊频移)的频率梳使用。
本发明的基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置的原理如下：
由于受激布里渊散射效应并在达到该效应阈值后，使得在高非线性光纤中正向传播的双波长连续泵浦光产生反向传播的双波长布里渊激光(又称一阶斯托克斯光)，布里渊激光中心频率与泵浦激光中心频率存在一个频率差，即布里渊频移。产生的双波长布里渊激光自发地与光纤环形腔存在谐振，其频率间隔是环形腔纵模间隔(又称自由光谱范围)的整数倍。布里渊激光在一定程度上可以充当滤波器，其舍弃了泵浦激光携带的强度噪声、相位噪声以及经过放大器时携带的放大自发辐射噪声，由此在环形腔中产生的是高信噪比，窄线宽的双波长布里渊激光。该双波长布里渊激光在环行腔循环运转中不断经过布里渊增益(双波长泵浦光将能量不断转移给双波长布里渊激光)，借助环形腔谐振增强的级联四波混频，不断经过参量增益产生光频率梳。从能量流动的角度看，能量由双波长泵浦光转移给双波长布里渊激光，再由双波长布里渊激光转移给频率梳的梳齿。频率梳的频率间隔等于双波长布里渊激光的频率间隔，其频率间隔可以由GHz量级调谐到THz量级。综上，基于双波长布里渊激光环形腔，我们可以产生大范围频率间隔可调、宽带宽、高信噪比、窄线宽光频率梳
一种基于双波长布里渊激光光纤环形腔的光频率梳产生方法：将基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置连接好，打开所有设备开关，使设备处于工作状态；第一可调谐外腔式连续半导体激光器及第二可调谐外腔式连续半导体激光器分别输出中心频率f1与f2的可调谐的激光，经过光放大器、偏振控制器，再经由环行器注入环形腔中，泵浦高非线性光纤，产生中心频率为F1和F2双波长布里渊激光，F1与F2均自发地与环形腔纵模存在谐振，F1与F2频率间隔ΔF自发地是腔纵模间隔c/n/L的整数倍，其中，腔纵模间隔即为c/n/L(c为光速，腔模折射率为n，环形腔总长度为L)，双波长布里渊激光在环形腔中循环运转基于级联四波混频产生频率间隔ΔF的光频率梳。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的光频率梳产生装置产生的光频率梳的频率间隔大范围可调谐，可以由GHz量级调谐到THz量级。
2、本发明的光频率梳产生装置产生的光频率梳的信噪比高，频率梳中几乎不存在光放大器引入的放大自发辐射噪声，频率间隔越大(100GHz以上)，该特点越显著；频率梳中多根梳齿的信噪比大于40dB。
3、本发明的光频率梳产生装置产生的光频率梳的线宽窄，可以压窄至约1kHz。
附图说明
图1：本发明的基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置的原理示意图；
图2：实施例1中所述激光线宽测试示意图；
图3：图3a为实施例1中所述的泵浦激光的线宽测试结果与洛伦兹拟合结果图；图3b是双波长布里渊激光环形腔中产生的布里渊激光的线宽测试结果与洛伦兹拟合结果图；
图4：实施例1中所述的双波长布里渊激光环形腔中输出的光频率梳随泵浦光功率变化光谱图；
图5：实施例1中所述的双波长布里渊激光环形腔中输出的光频率梳光谱对应的时域特征图；
图6：实施例1中所述的双波长布里渊激光环形腔中输出的光频率梳随泵浦光频率间隔变化的光谱图；
图7：实施例2中所述的双波长布里渊激光环形腔中加入无源器件后的原理示意图；
图8：实施例2中所述的双波长布里渊激光环形腔中加入无源器件后输出的光频率梳光谱图；
图中：第一可调谐外腔式连续半导体激光器01、第二可调谐外腔式连续半导体激光器02、3dB耦合器03、光放大器04、偏振控制器05、环行器06、高非线光纤07、隔离器08、10dB耦合器组成09、第一3dB耦合器10、单模光纤11、声光调制器12、第二3dB耦合器13、光电探测器14、电子频谱仪15。
具体实施方式
本发明提供一种基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳激光产生装置与方法。以下结合附图对本发明进行详细说明。
实施例1：
本发明提供一种基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置，如图1所示，该系统包括两台可调谐外腔式连续半导体激光器，01和02、3dB耦合器03、光放大器04、偏振控制器05及环形腔；
其中，环形腔由环行器06，高非线性光纤07，隔离器08，10dB耦合器09组成。环行器06从端口1到端口2导通，从端口2到端口3导通，从端口2到端口1隔离，从端口3到端口2隔离。第一可调谐外腔式连续半导体激光器01及第二可调谐外腔式连续半导体激光器02产生的光信号进入到3dB耦合器03中，3dB耦合器将两个光信号合束后输入到光放大器04进行放大，放大后的双波长泵浦光通过偏振控制器05，经由环行器06从端口1到端口2注入腔内，泵浦环形腔中的高非线性光纤07，达到光纤中受激布里渊散射效应阈值后产生双波长布里渊激光。产生的双波长布里渊激光的传播方向与双波长泵浦光传播方向相反，经由环行器06从端口2到端口3在环形腔内逆时针循环运转，通过级联四波混频效应产生光频率梳。产生的光频梳经由10dB耦合器09输出。
本实施例中所述第一外腔式连续半导体激光器01中心波长可调谐范围覆盖1530-1610nm，输出激光线宽1MHz左右，输出最高实测功率6mW。第二外腔式连续半导体激光器02中心波长可调谐范围覆盖1500-1620nm，输出激光线宽150kHz左右，输出最高实测功率10mW。
本实施例中所述耦合器为3dB耦合器03，具体型号为WIC-2×2-1550-50/50-1，插入损耗为3.07dB。
本实施例中所述光放大器为一个自制的两级掺铒光纤放大器(EDFA)04，其增益带宽为41nm。其最大增益位置在1560nm处，最大增益为27.6dB，3dB带宽覆盖从1531～1572nm。
本实施例中所述偏振控制器05为三环型机械式光纤偏振控制器。
本实施例中所述环行器06，为三端口环行器，端口1到端口2以及端口2到端口3的插入损耗约为0.5dB，端口2到端口1以及端口3到端口2的隔离损耗约为55dB。
本实施例中所述高非线性光纤07，长度为500米，其非线性系数为10w-1m-1，光纤损耗约为1.5dB/km。零色散波长是1535nm，1560nm处色散值为0.47ps/km/nm，色散斜率为0.02ps/km/nm2。
本实施例中所述隔离器08，隔离器插入损耗0.68dB，隔离损耗56dB。隔离器的方向与双波长泵浦光方向相反，与双波长布里渊激光方向相同。
本实施例中所述10dB耦合器09，是四端口耦合器，10％输出端口插入损耗11dB，90％插入损耗为0.54dB。
一种基于双波长布里渊激光光纤环形腔的光频率梳产生方法：将基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置连接好，打开所有设备开关，使设备处于工作状态；第一可调谐外腔式连续半导体激光器及第二可调谐外腔式连续半导体激光器分别输出中心频率f1与f2的可调谐的激光，经过光放大器、偏振控制器，再经由环行器注入环形腔中，泵浦高非线性光纤，产生中心频率为F1和F2双波长布里渊激光，F1与F2均自发地与环形腔纵模存在谐振，F1与F2频率间隔ΔF自发地是腔纵模间隔c/n/L的整数倍，其中，腔纵模间隔即为c/n/L(c为光速，腔模折射率为n，环形腔总长度为L)，双波长布里渊激光在环形腔中循环运转基于级联四波混频产生频率间隔ΔF的光频率梳。
本实施例中所提到的激光线宽测试系统，两个3dB耦合器10和13、45千米长单模光纤11、声光调制器12、光电探测器14、电子频谱仪15。被测激光被3dB耦合器11分为两路，一路用45千米单模光纤11将被测试激光延迟220μs。一路将被测试激光中心波长移频，用声光调制器12频移200MHz，两路信号用3dB耦合器13合束，经过光电探测器14，由电子频谱仪15给出被测试激光的延迟自外差频谱图。
还用到光谱分析仪对光谱进行测量，具体型号为Yokogawa AQ6370D，波长测量范围600～1700nm，最小分辨率0.02nm，也是实验中采用的分辨率。自相关仪对光谱的时域特性进行测量，是一类频率分辨光选通脉冲分析仪，具体型号为Coherent solutions IQFROG。
如图3所示是激光线宽测试结果，外腔式连续半导体泵浦激光的延迟自外差频谱如图3a所示，洛伦兹光谱拟合线宽约为150kHz。布里渊激光的延迟自外差频谱如图3b图所示，洛伦兹光谱拟合线宽约为3kHz。从图3a和图3b中可以得知在双波长布里渊环形腔中产生的布里渊激光线宽被压窄，只有泵浦激光线宽的五十分之一。因为频率梳是双波长布里渊激光在环形腔中基于级联四波混频效应产生的，如此窄线宽的双波长布里渊激光有利于我们在环行腔中输出窄线宽的频率梳。
如图4所示是环形腔中10dB耦合器10％端口输出光频率梳的光谱分析仪测试结果。两个外腔式连续半导体泵浦激光的中心波长分别位于1560.70nm和1561.23nm，其频率间隔约为65GHz。当泵浦激光1mW时候，达到腔里受激布里渊散射阈值，双波长布里渊激光产生，中心波长分别为1560.81nm和1561.34nm，频率间隔约为65GHz，信噪比高达68dB。随着泵浦功率增大，光频率梳激光带宽不断增长，从底部到最高处共7个光谱图，对应的泵浦功率依次为1mW,46mW,110mW,176mW,226mW,266mW,306mW。
如图5所示是环形腔中10dB耦合器10％端口输出光频率梳的自相关仪测试结果。测试结果是图4中最高泵浦功率306mW下光频率梳激发的时域特征。脉冲周期是15.4ps，脉宽约为3ps。说明光频率梳在时域上形成锁模激光。
如图6所示环形腔中10dB耦合器10％端口输出光频率梳的光谱分析仪测试结果。固定泵浦306mW下，变双泵浦波长频率间隔测试结果。从底部到最高处光谱共9幅图，对应的频率间隔依次是40GHz,65GHz,90GHz,110GHz,200GHz,290GHz,350GHz,630GHz,1300GHz。
实施例2：
基于实施例1，在环形腔内加入无源器件16，如图7，并将隔离器08移除环形腔中。无源器件16由三明治结构组成，左端是连接环行器06端口2的石英光纤接头，右端是连接高非线性光纤07的石英光纤接头，两处石英接头均打磨平坦，两端中间为空气。基于该无源器件，利用左边石英接头与空气的菲涅尔反射以及空气与右边石英接头的菲涅尔反射之和约7％的反射率，反射双波长连续泵浦激光，同时不影响双波长布里渊激光在环形腔内运转。反射后的双波长连续泵浦光与双波长布里渊激光的方向相同，并一起在环形腔内循环运转。对于我们实验用的500米长高非线性光纤07，其布里渊频移是9.28GHz。当双波长泵浦光的频率间隔为176.32GHz，即布里渊频移的19倍，在高功率泵浦下双波长布里渊激光之间会以频率间隔19倍布里渊频移进行四波混频，泵浦光与布里渊激光之间会以频率间隔布里渊频移进行四波混频，最终会产生的宽带的以布里渊频移9.28GHz为频率间隔的频率梳，如图8所示。其为双波长泵浦激光功率450mW时，10dB耦合器09 10％输出的光谱图，100nm宽频率间隔为9.28GHz的频率梳。
上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (5)

1.基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置，其特征在于，包括第一可调谐外腔式连续半导体激光器、第二可调谐外腔式连续半导体激光器、3dB耦合器、光放大器、偏振控制器及环形腔；
其中，环形腔由环行器、高非线性光纤、隔离器及10dB耦合器组成；环行器从端口1到端口2导通，从端口2到端口3导通，从端口2到端口1隔离，从端口3到端口2隔离；第一可调谐外腔式连续半导体激光器及第二可调谐外腔式连续半导体激光器产生的光信号进入到3dB耦合器中，3dB耦合器将两个光信号合束后输入到光放大器进行放大，放大后的双波长泵浦光通过偏振控制器，经由环行器从端口1到端口2注入腔内，泵浦环形腔中的高非线性光纤，达到光纤中受激布里渊散射效应阈值后产生双波长布里渊激光，产生的双波长布里渊激光的传播方向与双波长泵浦光传播方向相反，经由环行器从端口2到端口3在环形腔内逆时针循环运转，通过级联四波混频效应产生光频率梳，产生的光频梳经由10dB耦合器输出。
2.如权利要求1所述的基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置，其特征在于，所述的第一可调谐外腔式连续半导体激光器的中心波长可调谐范围为1480-1620nm，输出激光线宽范围为1kHz-50MHz，输出实测功率范围为1mW-15mW、第二可调谐外腔式连续半导体激光器的中心波长可调谐范围为1480-1620nm，输出激光线宽范围为1kHz-50MHz，输出实测功率范围为1mW-15mW。
3.如权利要求1所述的基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置，其特征在于，所述的3dB耦合器的插入损耗为3.07dB；所述的光放大器为掺杂稀土元素的光纤放大器或半导体放大器；所述偏振控制器为三环型机械式光纤偏振控制器；所述环行器为三端口环行器，端口1到端口2以及端口2到端口3的插入损耗为0.5dB，端口2到端口1以及端口3到端口2的隔离损耗为55dB；所述高非线性光纤为石英光纤、碲酸盐光纤、铅硅酸盐光纤、氟化物光纤、硫化物光纤、硒化物光纤、氟碲酸盐光纤、铋酸盐光纤、硼硅酸盐光纤或蓝宝石光纤，其非线性系数为10w-1m-1，光纤损耗为1.5dB/km；所述隔离器，隔离器插入损耗0.68dB，隔离损耗56dB；所述的10dB耦合器为四端口耦合器，10％输出端口插入损耗11dB，90％插入损耗为0.54dB。
4.如权利要求1所述的基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置，其特征在于，所述的环形腔中的环行器端口2和高非线性光纤之间还包括无源器件。
5.基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置产生光频率梳的方法，其特征在于，将权利要求1所述的基于双波长布里渊激光环形腔的光频率梳产生装置连接好，打开所有设备开关，使设备处于工作状态；第一可调谐外腔式连续半导体激光器及第二可调谐外腔式连续半导体激光器分别输出中心频率f1与f2的可调谐的激光，经过光放大器、偏振控制器，再经由环行器注入环形腔中，泵浦高非线性光纤，产生中心频率为F1和F2双波长布里渊激光，F1与F2均自发地与环形腔纵模存在谐振，F1与F2频率间隔ΔF自发地是腔纵模间隔c/n/L的整数倍，其中，腔纵模间隔即为c/n/L，c为光速，腔模折射率为n，环形腔总长度为L，双波长布里渊激光在环形腔中循环运转基于级联四波混频产生频率间隔ΔF的光频率梳。
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