CN108616030A - 一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学频率梳技术领域，针对采用现有微腔光频梳产生系统产生微腔孤子光频梳时，无法实现自动化产生微腔孤子光频梳的问题，提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法。其中，程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，包括温度控制器、计算机控制系统，以及依次连接的窄线宽激光器、光学放大器、第一光隔离器、偏振控制器、光频梳发生器、光功率分束器和光功率计；所述光频梳发生器包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器与温度调节器相连；窄线宽激光器、光功率计和温度控制器分别与计算机控制系统电连接；光功率分束器用于将光频梳发生器产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计；另一路输出。
Description
技术领域
本发明涉及光学频率梳技术领域，具体涉及一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法。
背景技术
光学频率梳(简称光频梳)为由一系列离散的、等间隔的频率成分组成的宽带光谱，并且各频率分量具有稳定的相位关系。光频梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域。
随着光通信技术的飞速发展，光频梳在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域也受到广泛的关注。
传统的光频梳由超短脉冲锁模激光器产生，然而受限于锁模激光器腔长，其重频通常小于1GHz。而基于光电调制的光频梳受外部驱动射频源的限制，不利于集成化。
近几年来，围绕微腔孤子光频梳的产生开展了大量的研究工作，在MgF2、SiO2、SiN等多种材料平坦的微腔中产生了孤子光频梳，并在双梳测距、双梳光谱学及超高速并行光通信技术等领域开展了应用可行性研究。目前，基于外腔扫频激光器产生锁模孤子光频梳已经在多种微环谐振腔中产生。其符合现代小型化、集成化的趋势，在高重频和集成化方面具有先天性优势。
但是，由于微腔内的热光效应，基于外腔扫频激光器产生锁模孤子光频梳要求孤子光频梳在微秒量级的时间内产生，因此依赖于复杂的实验技术，很难做到实时控制。目前常用的技术包括主要有快速扫频法和“power-kicking”法等。此类方法对时序要求严格，计算机程序无法对微腔孤子光频梳的产生进行判断，进而无法自动化产生微腔孤子光频梳。
发明内容
本发明的目的是针对采用现有微腔光频梳产生系统产生微腔孤子光频梳时，由于对时序要求严格，无法实现采用计算机程序对微腔孤子光频梳的产生进行判断，从而无法实现自动化产生微腔孤子光频梳的问题，而提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括温度控制器、计算机控制系统，以及依次连接的窄线宽激光器、光学放大器、第一光隔离器、偏振控制器、光频梳发生器、光功率分束器和光功率计；所述光频梳发生器包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器与温度调节器相连，用于控制微环谐振腔的工作温度；窄线宽激光器、光功率计和温度控制器分别与计算机控制系统电连接；窄线宽激光器用于产生微环谐振腔的激光信号；光学放大器用于放大激光信号，使激光功率达到产生微腔光频梳所需功率；第一光隔离器用于保证激光的单向传输，保证光学放大器的稳定工作；偏振控制器用于控制激光的偏振态，使之与微环谐振腔产生孤子晶体光频梳的模式相一致；光功率分束器用于将光频梳发生器产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计，光功率计用于探测光频梳的能量变化并将探测信号传输至计算机控制系统，作为光频梳状态的检测；另一路输出。
进一步地，上述光频梳发生器与光功率分束器之间还连接第二光隔离器。第二光隔离器用于保证激光的单向传输，避免输出光由于反射效应对光频梳发生器产生影响，保证光频梳发生器的稳定工作。
进一步地，上述窄线宽激光器采用固定波长的窄线宽泵浦激光器。
进一步地，上述固定波长的窄线宽泵浦激光器采用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，具有高波长稳定性。
进一步地，上述光学放大器采用掺饵光学放大器或半导体光学放大器或拉曼光纤放大器。
进一步地，上述第一光隔离器、第二光隔离器均采用光纤型光隔离器。
进一步地，上述偏振控制器采用光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器；微环谐振腔采用上下话路型微环谐振腔或者全通型的微环谐振腔。
进一步地，上述温度调节器采用半导体制冷器或者表面金属加热器；温度控制器采用半导体制冷器控制器或者可调电流源。
进一步地，上述光功率分束器采用拉锥型光功率分束器或者平面波导型光功率分束器。
另外，本发明还提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)搭建上述程控微腔孤子晶体光频梳产生系统；
2)设置窄线宽激光器的输出功率与激光波长，设置光学放大器的输出功率和偏振控制器的状态；设置光功率计的单位、孤子光频梳的判断阈值、温度控制器的调节速率；
3)设置微环谐振腔的初始工作温度值，使激光波长位于微环谐振腔的一个谐振峰的短波长处；
4)逐步降低微环谐振腔的工作温度，同时通过光功率计读取光频梳功率的探测值；
5)当读取到的光频梳功率探测值大于孤子光频梳的判断阈值时，减慢降温速度；
6)当检测到光频梳功率探测值的下降量≥0.2dB时，停止降温，即得到孤子晶体光频梳。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明以光频梳功率的变化作为微腔孤子光频梳产生的判据，采用程序控制的方法产生微腔孤子晶体光频梳，相对于光谱判别方法，本发明具有成本低、速率高和操作简单的特点，提高了产生孤子光频梳的效率。
2、本发明提供的通过计算机控制的微腔孤子光频梳自动产生系统，使用固定波长的窄线宽激光器为泵浦源，相对于扫频激光器成本更低且更易于系统集成。
3、本发明所提供的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，具有良好的温度和振动稳定性，具有优良的系统鲁棒性。系统操作简单方便，稳定性高，有助于光频梳产生系统的工程化应用和快速推广。满足了工程应用(微波光子学、天文光谱测量及并行光纤通信等系统)对程控微腔光频梳的使用需求，特别是对孤子态微腔光频梳的需求。
本发明的工作原理：
孤子光频梳产生过程中微环谐振腔中光场经历了激光态、主梳态、调制不稳定性光频梳态、孤子光频梳态四种状态，失谐(产生频梳的微环谐振腔的共振频率与入射激光频率的差值)对应从蓝失谐(失谐为负值)到红失谐(失谐为正值)的过程，改变微环谐振腔的温度可以调整微环的谐振波长，从而可以调整失谐，产生孤子光频梳。
当光频梳处于调制不稳定性光频梳态时，微环谐振腔中的能量较高，当调制不稳定性光频梳转换成孤子光频梳时，微环谐振腔的能量会突然下降，能量变化造成了微环谐振腔的温度的变化，引起了微环谐振腔的谐振波长漂移，因此借用外腔扫频激光器通常需要快速产生孤子光频梳与相应的能量补偿方法(诸如power-picking法)来弥补热效应。因为对时序要求严格，故无法实现采用计算机程序对微腔孤子光频梳的产生进行判断，从而无法实现微腔孤子光频梳的自动化产生。
但是，最近研究发现孤子晶体光频梳的能量与调制不稳定性光频梳的能量相同，具有优良的温度稳定性，对光频梳的调节速度不再有严格的要求，具备了程控产生孤子光频梳的前提条件。同时，产生孤子晶体光频梳时，光频梳的功率有一定的下降。因此，本发明以光频梳的功率变化为判断依据，实现计算机程序控制的微腔孤子晶体光频梳自动产生。
附图说明
图1是本发明程控微腔孤子晶体光频梳产生系统实施例的结构示意图；
图2为两个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图；
图3为理想态光孤子晶体光频梳的光谱图；
图4为温度控制器的设置电压变化曲线；
图5为光频梳功率变化曲线。
图中各标号的说明如下：
1-窄线宽激光器，2-光学放大器，3-第一光隔离器，4-偏振控制器，5-光频梳发生器，6-第二光隔离器，7-光功率分束器，8-光功率计，9-温度控制器，10-计算机控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本实施例提供的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，包括温度控制器9和计算机控制系统10以及通过单模光纤依次连接的窄线宽激光器1、光学放大器2、第一光隔离器3、偏振控制器4、光频梳发生器5、第二光隔离器6、光功率分束器7和光功率计8。
其中，窄线宽激光器1采用固定发射频率的半导体激光器，其线宽为100kHz，输出波长为1560.3nm。光学放大器2采用高功率的掺铒光纤放大器，光纤类型为单模光纤，其输出功率最大可以达到10W，工作波长波段为C波段；第一光隔离器3为能承受10W功率的光纤型光隔离器；偏振控制器4为三环型光纤偏振控制器，可承受10W以上的光功率；第一光隔离器6为商用的300mW光功率承受能量的光纤型光隔离器；光功率分束器7为1：9功率分束比的拉锥型光功率分束器；光功率计8为带串行通信接口的商用光功率计，其具有高分辨率光功率计，并具有外部系统的通信接口；温度控制器9为商用的TEC控制器，具有电压控制温度的接口。
光频梳发生器包括封装壳体、封装在封装壳体中的温度调节器和微环谐振腔，其中封装壳体采用标准的14引脚蝶形封装结构；温度调节器采用现有的半导体制冷器与热敏电阻器；温度控制器9设置在所述封装壳体外并与温度调节器相连，微环谐振腔的工作温度通过外接的温度控制器9进行控制；微环谐振腔采用上下话路型的微环谐振腔。微环谐振腔为本系统的核心器件，由高折射率差光子集成平台制作而成，该平台采用CMOS兼容的半导体工艺，易于大规模生产。由高折射率差光子集成平台制作的波导具有高非线性系数，并且具有负色散特性。
窄线宽激光器1为光学放大器2提供种子源；光学放大器2为光孤子晶体光频梳的产生提供足够强的泵浦光信号；第一光隔离器3保证外部反射光不进入掺铒光纤放大器(EDFA)，保证掺铒光纤放大器(EDFA)的稳定工作；偏振控制器4用于调整入射到微环谐振腔的泵浦光的偏振态，使之与微环谐振腔产生孤子晶体光频梳的模式相一致。光频梳发生器5用于产生孤子晶体光频梳；第一光隔离器6仿真外部光从微环谐振腔的输出端口进入微环谐振腔，保证光频梳系统的稳定工作；光功率分束器7用于提取部分光频梳的能量进行功率探测，该探测值作为判别孤子晶体光频梳产生的标准；光功率计8用于探测光频梳的能量变化，为控制程序提供判别依据；计算机控制系统10控制窄线宽激光器1和温度调节器，其读取光功率计的探测值、控制并判别是否形成孤子晶体光频梳。
另外，本实施例还提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生方法，包括以下步骤：1)搭建上述程控微腔孤子晶体光频梳产生系统；
2)设置窄线宽泵浦激光器的输出功率为10mW，发射激光波长为1560.3nm；设置光学放大器的输出功率为34.3dBm；并调制偏振控制器的状态，使微环谐振腔的TE模式得到最大的泵浦功率；设置功率计的单位、孤子光频梳的判断阈值、温度控制器的调节速率等参数(调制不稳定性光频梳转换成孤子晶体光频梳时，微腔中的能量突然下降，即输出端能量会有突然的变化，此变化的差值即为孤子晶体光频梳的判断阈值)；
3)通过温度控制器设置微环谐振腔的初始工作温度值，使泵浦激光波长位于微环谐振腔的一个谐振峰的短波长处；
4)逐步降低微环谐振腔的工作温度，同时通过光功率计读取光频梳功率的探测值；
5)当读取到的光频梳功率探测值大于孤子光频梳的判断阈值时，减慢降温速度；
6)当检测到光频梳功率探测值的下降量≥0.2dB时，停止降温，即得到孤子晶体光频梳。
图2和图3为本实施例程控孤子晶体光频梳产生系统产生的两个缺位和理想孤子晶体光频梳的光谱图。实验中检测到的光频梳功率变化曲线如图5所示，在40s附近，光功率有明显的下降，标志着孤子晶体光频梳的产生。温度控制器的控制电压变化曲线如图4所示。
综上，本发明提供的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，克服了现有微腔光频梳产生系统对操作人员技能的依赖，实现了微腔孤子光频梳的自动化产生。该系统操作简单方便，系统稳定性高。有助于实现光频梳产生系统的工程化应用和快速推广，该系统在未来超高速光通信系统、微波光子学、光模数转换等领域具有广泛的应用前景。
Claims (10)
1.一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：包括温度控制器(9)、计算机控制系统(10)，以及依次连接的窄线宽激光器(1)、光学放大器(2)、第一光隔离器(3)、偏振控制器(4)、光频梳发生器(5)、光功率分束器(7)和光功率计(8)；
所述光频梳发生器(5)包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器(9)与所述温度调节器相连；窄线宽激光器(1)、光功率计(8)和温度控制器(9)分别与计算机控制系统(10)电连接；
光功率分束器(7)用于将光频梳发生器(5)产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计(8)；另一路输出。
2.根据权利要求1所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述光频梳发生器(5)与光功率分束器(7)之间还连接第二光隔离器(6)。
3.根据权利要求1或2所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述窄线宽激光器(1)采用固定波长的窄线宽泵浦激光器。
4.根据权利要求3所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述固定波长的窄线宽泵浦激光器采用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。
5.根据权利要求4所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述光学放大器(2)采用掺饵光学放大器或半导体光学放大器或拉曼光纤放大器。
6.根据权利要求5所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述第一光隔离器(3)、第二光隔离器(6)均采用光纤型光隔离器。
7.根据权利要求6所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述偏振控制器(4)采用光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器；所述微环谐振腔采用上下话路型微环谐振腔或者全通型的微环谐振腔。
8.根据权利要求7所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述温度调节器采用半导体制冷器或者表面金属加热器；温度控制器(9)采用半导体制冷器控制器或者可调电流源。
9.根据权利要求1或2或7或8所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述光功率分束器(7)采用拉锥型光功率分束器或者平面波导型光功率分束器。
10.一种程控微腔孤子晶体光频梳产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)搭建如权利要求1至9任一所述程控微腔孤子晶体光频梳产生系统；
2)设置窄线宽激光器(1)的输出功率与激光波长，设置光学放大器(2)的输出功率和偏振控制器(4)的状态；设置光功率计(8)的单位、孤子光频梳的判断阈值、温度控制器(9)的调节速率；
3)设置微环谐振腔的初始工作温度值，使激光波长位于微环谐振腔的一个谐振峰的短波长处；
4)逐步降低微环谐振腔的工作温度，同时通过光功率计(8)读取光频梳功率的探测值；
5)当读取到的光频梳功率探测值大于孤子光频梳的判断阈值时，减慢降温速度；
6)当检测到光频梳功率探测值的下降量≥0.2dB时，停止降温，即得到孤子晶体光频梳。
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