CN109462132A - 基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统 - Google Patents

基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统，包括：可调重复频率脉冲光源，用于作为所述系统的脉冲光源，重复频率为10GHz‑200GHz可调，脉冲宽度为1～2.5ps，光脉冲为傅里叶变换极限光脉冲；高功率EDFA光放大器，用于放大光脉冲功率；可调带宽光滤波器，用于对光信号的光谱进行滤波以去除噪声；正常色散平坦氮化硅非线性光波导，用于通过自相位调制和光波分裂效应实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化；氮化硅光波导的非线性系数为0.4～6W‑1m‑1。本发明的系统，可以产生频率间隔可连续调谐、频谱包络平坦度较好的相干光频率梳。

Description

基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统
技术领域
本发明涉及光频梳领域，尤其涉及一种基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统。
背景技术
频率锁定的稳定高信噪比多波长、单频窄线宽激光源在波分复用无源光网络、超大容量高速相干光通信、光信号处理、激光雷达以及微波光子学等领域有重要的应用。
多波长、单频窄线宽激光源从时域上划分为两大类，包括：连续波多波长、单频窄线宽激光源和脉冲型多波长、单频窄线宽激光源。
现有技术中，1550nm波段的上述两种光源的实现方法主要包括：半导体集成波导型连续波多波长、单频窄线宽激光源实现方法主要有：(1)基于多个单频半导体激光器或光纤激光器进行阵列集成实现多波长、单频激光输出；(2)基于分布反馈Fabry-Perot谐振腔利用半导体或光纤实现多波长、单频激光输出。其缺点为：半导体阵列集成型和基于分布反馈Fabry-Perot谐振腔型多波长单频窄线宽激光源均需要对每个激光波长进行温度和稳频等进行控制，能源利用效率较低。此外也有利用高非线性光纤中的受激布里渊、调制不稳定性和四波混频的多波长、单频窄线宽激光源，其缺点为：产生效率和频谱包络平坦度较差。
脉冲型多波长、单频窄线宽激光源，也称为光频率梳，主要的四大类包括：(1)基于分立光学器件或半导体集成的调Q或锁模脉冲激光器；(2)基于直接调制半导体激光器、基于电吸收调制器或电光调制器的脉冲激光器；(3)基于非线性光纤超连续谱展宽的脉冲激光器；(4)基于非线性的克尔(Kerr)微腔脉冲激光器。基于锁模激光器的光学频率梳的频率间隔与激光器的腔体长度等有关，因此，其频率间隔不可大范围调谐。通过电吸收调制器或电光外调制器产生的脉冲激光器可以通过改变调制器的调制频率实现频率间隔的调谐，但其产生频谱带宽覆盖范围较窄。依靠锁模激光器或电光调制器的脉冲激光器作为种子源，利用高非线性近零色散渐减色散平坦光纤进行超连续谱展宽，可形成宽频带、低噪声的光频率梳。现有技术中，Hidehiko Takara(Takara etal.,Electron.Lett.36,2089,2000)提出了色散渐减光纤可使脉冲宽度得到压缩，输入的脉冲峰值功率得到提高，但是色散渐减光纤较难制作，并且获得光频率梳的频谱包络平坦度较低；V Ataie(V Ataie et al.,JLightwave Technol,32(4):840-846,2014)提出利用光参量混频效应获得宽带平坦光频率梳，但所用高非线性光纤长度较长，并且光纤色散需要通过对光纤施加应力进行精确控制；在高Q值光学微腔中注入连续波单频激光在正常色散或反常色散情况下均可以实现Kerr光频率梳，但需要通过扫频实现单孤子高相干脉冲光源，或首先通过电光调制器产生多频率成分激光，然后再输入光学微腔中实现高相干性脉冲光源，Kerr光频率梳的频率间隔只能是微腔自由光谱范围(FSR)的整数倍，不可连续调谐，并且需要用到基于液晶的波长选择光开关来改善频谱包络平坦度才可用于高速光通信(Attila Fulop,Mikael Mazur,NatureCommunications,Vol.9,1598,2018)；Hao Hu(Hu,H.et al.Nature Photonics,Volume 12,2018)提出基于具有反常色散的AlGaAs集成光波导利用孤子压缩实现10GHz光频率梳频谱展宽，但光频率梳的频谱包络平坦度较差，需要用到基于液晶的波长选择光开关来改善其频谱包络平坦度才可用于光通信。Hairun Guo(Hairun Guo et.al.,Mid-infraredfrequency comb via coherent dispersive wave generation in silicon nitridenanophotonic waveguides,Nature Photonics,Volume 12,2018)提出基于反常色散的氮化硅集成光波导利用孤子压缩实现光频率梳频谱展宽，但其光频率梳的重复频率不高，并且光频率梳的频谱包络平坦度也较低。
因此，针对上述高非线性光纤长度较长不易制作且需要施加应力控制色散，光频率梳重复频率不可连续调谐，光频率梳频谱包络不平坦等问题，需要一种可以产生频率间隔可连续调谐、频谱包络平坦度较好的相干光频率梳的系统。
发明内容
本发明提供了一种基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统，包括：顺序连接的可调重复频率脉冲光源、高功率EDFA光放大器、可调带宽光滤波器、正常色散平坦氮化硅非线性光波导；
所述的可调重复频率脉冲光源，用于作为所述光频率梳产生系统的脉冲光源，所述的可调重复频率脉冲光源的重复频率为10GHz-200GHz可调，脉冲宽度为1～2.5ps，光脉冲为傅里叶变换极限光脉冲；
所述的高功率EDFA光放大器，用于放大光脉冲功率；
所述的可调带宽光滤波器，用于对光信号的光谱进行滤波以去除噪声；
所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导，用于通过自相位调制和光波分裂效应实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化；
所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的非线性系数为0.4～6W-1m-1。
进一步地，可调重复频率脉冲光源的光脉冲宽度TFWHM为1.6ps，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的非线性系数为0.63W-1m-1。。
进一步地，正常色散平坦氮化硅非线性光波导的长度为米长度量级，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导采用螺旋线波导形式。
进一步地，正常色散平坦氮化硅非线性光波导为多模氮化硅光波导。
进一步地，多模氮化硅光波导为矩形结构多模氮化硅光波导。
进一步地，正常色散平坦氮化硅非线性光波导的宽度为2800nm，高度为700nm。
进一步地，正常色散平坦氮化硅非线性光波导的四周包围着二氧化硅材料的保护层，所述的二氧化硅保护层上方镀金属。
进一步地，系统还包括脉冲压缩单元，所述的脉冲压缩单元级联在所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导后，用于获得近傅里叶变换极限的脉冲。
进一步地，可调重复频率脉冲光源通过级联电光调制器和可调色散元件实现。
进一步地，该系统用于1550nm波段产生平坦相干光频率梳。
由上述本发明的系统提供的技术方案可以看出，本发明通过调节可调重复频率脉冲光源的重复频率，从而可调节光频率梳的频率间隔，正常色散保持了光频率梳的相干性，在正常色散平坦氮化硅光波导中传输米长度量级后，能够实现自相位调制和光波分裂效应，进而实现光频率梳频谱展宽，产生频率间隔可连续调谐、相干性和频谱包络平坦度好的光频率梳。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例的一种1550nm波段的基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统示意图；
图2为光脉冲为傅里叶变换极限的光频率梳的时域和频域对应关系示意图；
图3是正常色散平坦氮化硅非线性光波导的矩形(Strip)结构波导示意图；
图4是正常色散平坦氮化硅非线性光波导的矩形(Strip)结构波导准横电Transverse Electric(TE)基模色散曲线图；
图5是可调重复频率脉冲光源经高功率EDFA放大器和滤波后在氮化硅光波导中随传输距离变化输出光频率梳的时域和频域演化图；
图6是最终输出光频率梳的频谱相干度图；
图7是最终输出光频率梳的时谱图(Spectrograms)；
图8是最终输出光频率梳的频谱包络图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供了一种基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统，旨在获得重复频率可调谐的宽带相干平坦光频率梳。
实施例
图1为本实施例的一种1550nm波段的基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统示意图，参照图1，该系统包括：顺序连接的可调重复频率脉冲光源、高功率EDFA光放大器、可调带宽光滤波器、正常色散平坦氮化硅非线性光波导。
可调重复频率脉冲光源，用于作为所述光频率梳产生系统的脉冲光源，所述的可调重复频率脉冲光源的重复频率为10GHz-200GHz可调，脉冲宽度TFWHM为1～2.5ps，光脉冲为傅里叶变换极限光脉冲，如图2所示。优选地，光脉冲宽度TFWHM为1.6ps，可调重复频率脉冲光源可以通过级联电光调制器和可调色散元件实现。
高功率EDFA光放大器，用于放大光脉冲功率。
可调带宽光滤波器，用于对光信号的光谱进行滤波以去除噪声。
正常色散平坦氮化硅非线性光波导，用于通过自相位调制和光波分裂效应实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化。
正常色散平坦氮化硅非线性光波导的非线性系数γ为0.4～6W-1m-1，所用波导长度达到米长度量级，故正常色散平坦氮化硅非线性光波导采用螺旋线波导形式实现，可以节省集成光波导芯片面积。由于高非线性石英光纤的非线性系数γ为10～20W-1km-1，即正常色散平坦氮化硅光波导的非线性系数比石英基高非线性光纤高两个数量级，可以大大减短所用非线性光纤的长度。
光脉冲(典型脉冲峰值功率15W-50W，若重复频率高，则峰值功率低)在正常色散氮化硅高非线性光波导中传输一段长度后会发生自相位调制(SPM，self-phase modulation)和光波分裂(OWB，optical wave breaking)。仅利用自相位调制可使光脉冲信号产生频率啁啾和光频率梳的频谱展宽，但若不考虑正常色散，展宽后的光频率梳光谱包络平坦度较差，不平坦度在15dB以上。正常色散氮化硅光波导中发生的光波分裂效应可看作是四波混频效应，其可以改善由于自相位调制展宽的光频率梳的频谱包络的平坦度。氮化硅光波导的正常色散保持了光频率梳的相干性，利用正常色散波导中的自相位调制和光波分裂效应进行光频率梳频谱展宽，光波分裂效应对光频率梳的平坦度改善有至关重要的作用，光频率梳频谱包络的平坦度可改善至5dB以内。
通过改变可调重复频率脉冲光源的重复频率即可得到频率间隔可连续调谐的宽带相干平坦光频率梳。
可调重复频率脉冲光源，经高功率掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium-doped OpticalFiber Amplifier)进行光脉冲功率放大，经可调带宽光滤波器对光信号的光谱进行滤波以去除噪声，然后通过正常色散平坦氮化硅非线性光波导，利用自相位调制和光波分裂效应实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化，获得重复频率可调谐的宽带相干平坦光频率梳。
脉冲光源经过高功率EDFA和可调带宽光滤波器后，通过缓变锥形(AT,Adiabatictaper)波导端面耦合或光栅耦合的方法将单模光纤中的基模光大部分无损地耦合进入氮化硅集成光波导中的准TE基模。
优选地，本实施例的正常色散平坦氮化硅非线性光波导为多模氮化硅光波导。这有利于降低氮化硅集成光波导基模的损耗，目前多模氮化硅非线性光波导的准横电(TE,Transverse Electric)基模损耗已经降低到0.8dB/m，通过Adiabatic taper波导选取激发多模氮化硅光波导的准TE基模。
经过高功率EDFA光放大器和可调光滤波器之后，光脉冲峰值功率得到了显著提高(这里设光脉冲峰值功率为30W，若重复频率高，则峰值功率低)，然后光脉冲经过正常色散平坦氮化硅非线性集成光波导。由于基于自相位调制的光频率梳频谱展宽主要和光波导非线性系数γ，脉冲峰值功率P0，波导有效传输长度Leff(由波导损耗决定)有关，所述的正常色散平坦氮化硅高非线性光波导的非线性系数比石英基高非线性光纤高两个数量级，所以可以大大减短所用非线性光波导的长度。进一步地，多模氮化硅光波导为矩形结构多模氮化硅光波导，示意图如图3所示。
本实施例中设计的氮化硅光波导宽度为2800nm，高度为700nm，为高功率限制因子光波导，氮化硅光波导四周由二氧化硅材料包围，二氧化硅材料折射率方程如下式(1)所示：
二氧化硅材料在1550nm处的非线性折射率系数根据下式(2)计算：
n2＝2.2*10-20m2/W (2)
氮化硅材料折射率方程如下式(3)所示：
氮化硅材料在1550nm处的非线性折射率系数根据下式(4)计算：
n2＝2.5*10-19m2/W (4)
经仿真计算得到矩形结构多模氮化硅光波导的准TE基模在1550nm处的二阶色散β2为40*10-3ps2/m，高阶色散β3为-1.44*10-4ps3/m，高阶色散β4为1.20*10-6ps4/m，非线性系数γ为0.63W-1m-1，矩形结构波导准TE基模色散曲线图如图4所示，优选地，该色散曲线还可以通过在氮化硅集成光波导上方的二氧化硅保护层上镀金属通过加电调控温度进行微调控制。
考虑准TE基模的波导损耗为0.8dB/m，优选地，光脉冲在正常色散氮化硅光波导中约传输3米长度，采用螺旋线波导形式实现以节省集成光波导芯片面积，发生自相位调制和光波分裂，实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化，可调重复频率脉冲光源随着传输距离变化输出光频率梳的时域和频域演化图如图5所示。
光波分裂效应对光频率梳频谱包络的平坦度改善有至关重要的作用，光频率梳频谱包络在1530nm-1570nm波段范围的不平坦度在5dB以内。需要指出，在正常色散非线性光波导中由自相位调制和光波分裂共同决定的光频率梳的平坦频谱展宽带宽公式可定义为下式(5)所示：
即平坦频谱展宽带宽主要与能够发生光波分裂的光波导长度ZOWB，光波导非线性系数γ，脉冲峰值功率P0，光波导的准TE基模的二阶色散β2有关，若想获得频谱较宽且频谱包络较为平坦的光频率梳，β2的值需要设置在合理区间，高阶色散β3和β4的值对光频率梳频谱包络平坦度也有一定的影响。本实施例中矩形结构氮化硅波导参数已经经过优化，选取了合理的β2，也基本消除了β3和β4的影响。此外，矩形结构波导准TE基模在800-2000nm波段范围内均为正常色散保持了光频率梳的相干性，光频率梳的频谱相干度图如图6所示。
需要指出的是光频率梳产生系统输出的光频率梳从时域上看，光脉冲是非傅里叶变换极限的，光脉冲在脉冲中心部位带有准线性啁啾，图7是最终输出光频率梳的时谱图(Spectrograms)；图8是最终输出光频率梳的频谱包络图。优选地，该系统还包括脉冲压缩单元，所述的脉冲压缩单元级联在所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导后，用于获得近傅里叶变换极限的脉冲。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际光频率梳产生系统的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
综上所述，本发明实施例光频率梳产生系统，主要在1550nm波段，实现频率间隔可连续调谐的宽带相干平坦光频梳，有益于超高速相干光通信、微波光子学等领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，比如选取其它合理长度和正常色散并且具有较高的三阶非线性的材料作为光波导或者光纤，如氮氧化硅光波导，富硅氮化硅光波导，AlN光波导，TeO2碲酸盐光波导，Ta2O5光波导，LiNO3光波导，GaAs光波导，GaP光波导，AlGaAs光波导，As2S3，GeAsSe，AsSe类硫系光波导等高非线性集成光波导或光纤，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统，其特征在于，包括：顺序连接的可调重复频率脉冲光源、高功率EDFA光放大器、可调带宽光滤波器、正常色散平坦氮化硅非线性光波导；
所述的可调重复频率脉冲光源，用于作为所述光频率梳产生系统的脉冲光源，所述的可调重复频率脉冲光源的重复频率为10GHz-200GHz可调，脉冲宽度为1～2.5ps，光脉冲为傅里叶变换极限光脉冲；
所述的高功率EDFA光放大器，用于放大光脉冲功率；
所述的可调带宽光滤波器，用于对光信号的光谱进行滤波以去除噪声；
所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导，用于通过自相位调制和光波分裂效应实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化；
所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的非线性系数为0.4～6W-1m-1。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的可调重复频率脉冲光源的光脉冲宽度TFWHM为1.6ps，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的非线性系数为0.63W-1m-1。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的长度为米长度量级，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导采用螺旋线波导形式。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导为多模氮化硅光波导。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的多模氮化硅光波导为矩形结构多模氮化硅光波导。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的宽度为2800nm，高度为700nm。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导的四周包围着二氧化硅材料的保护层，所述的二氧化硅保护层上方镀金属。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括脉冲压缩单元，所述的脉冲压缩单元级联在所述的正常色散平坦氮化硅非线性光波导后，用于获得近傅里叶变换极限的脉冲。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的可调重复频率脉冲光源通过级联电光调制器和可调色散元件实现。
10.根据权利要求1-10任一项所述的系统，其特征在于，所述的系统用于1550nm波段产生平坦相干光频率梳。
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