CN110554465B - 基于环形谐振器中偏移光学频率梳的rf频率合成器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“基于环形谐振器中偏移光学频率梳的RF频率合成器”。本发明公开了一种光学频率梳发生器装置。在一个具体实施中，光学频率梳发生器装置包括总线波导、光学耦合至总线波导的至少第一光学环形谐振器，以及至少第一光栅，该第一光栅位于第一光学环形谐振器上且与总线波导相对。第一光学环形谐振器和第一光栅被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的反向传播光学频率梳。

Description

基于环形谐振器中偏移光学频率梳的RF频率合成器
背景技术
对于大量的通信应用而言，能够在MHz到GHz范围内产生稳定的低噪声射频(RF)信号的装置是高度寻求的。目前，光学频率梳提供了生成超低噪声RF信号的最高效方式之一。为了使光学频率梳工作，需要梳为跨倍频程的以从较高的光学频率向下转换为较低的光学频率。例如，现有技术情况为使用跨整个倍频程的光学频率梳以生成RF信号。然而，该过程的效率较低，因为大部分信号未被使用并因此需要高功率的光泵。
发明内容
本发明公开了一种光学频率梳发生器装置。在一个具体实施中，光学频率梳发生器装置包括总线波导、光学耦合至总线波导的至少第一光学环形谐振器、以及至少第一光栅，该第一光栅位于第一光学环形谐振器上且与总线波导相对。第一光学环形谐振器和第一光栅被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的反向传播光学频率梳。
附图说明
通过参考附图的以下描述，本发明的特征对于本领域的技术人员将变得显而易见。应当理解，附图仅示出了典型的实施方案，并且因此不应认为是限制本发明的范围，将通过使用附图以附加特征和细节来描述本发明，其中：
图1为根据一个实施方案的具有单环形谐振器的光学频率梳发生器装置的示意图；
图2为根据另一个实施方案的具有耦合的双环形谐振器的光学频率梳发生器装置的示意图；
图3A和图3B为模拟的曲线图，其示出了使用不同光栅耦合器的耦合的双环形谐振器的透射光谱；
图4为根据另一个实施方案的具有耦合的双环形谐振器的光学频率梳发生器系统的示意图；并且
图5为针对图4的光学频率梳发生器系统的关于输出功率和波长的输出梳的示例性光学光谱的图表。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，对实施方案进行了充分的描述，以使本领域的技术人员能够实践本发明。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可利用其他实施方案。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
本文公开了一种基于环形谐振器中的偏移光学频率梳的射频(RF)合成的系统和方法。本发明的系统和方法可用于通过使具有彼此相对频率偏移的两个光学频率梳振动来生成预定的RF信号。例如，本发明的方法可用于通过使具有相对频率偏移的两个光学频率梳振动来在MHz至GHz范围内生成稳定的低噪声RF信号。
与本领域的情况相比，本发明的方法不需要光学频率梳跨越整个倍频程以便生成RF信号。相反，RF信号是由两个梳之间的相对频率偏移来确定的。这以两种方式改善了现有技术的情况。首先，用于生成梳的光学谐振器装置不必为工程化分散的，因为梳不必具有宽泛的谱域。这允许优化谐振器装置的几何结构而不是低损耗，其降低了操作装置所需的光泵功率。其次，因为用于生成RF信号的梳线更靠近泵，所以所需的操作功率进一步减小，并且因此梳可存在于其阈值光泵功率附近。
本发明的方法进一步去除了对光频或电频倍频器的要求，因此期望具有降低的生产成本。此外，所生成的信号的频率可广泛地从几个MHz调谐至数百个GHz，而常规的基于梳的RF合成器的频率受到更严格的限制并且不易控制。
在一个示例性实施方案中，可通过使用光栅耦合器(例如光栅辅助的反定向耦合器)将两个光学环形谐振器彼此耦合来制造光学频率梳发生器装置。光栅耦合器可经工程化以具有宽的、均匀强度的耦合频带，在该耦合频带外发生可忽略的耦合。在耦合频带内，将谐振分成对应于两个环形谐振器之间的耦合程度的量。因为耦合可以经由光栅来控制，所以谐振分裂也可以控制。
当两个反向传播泵梁联接到谐振器环中时，每个对应的泵可被锁定到两个分开的共振中的一个，从而生成对应的梳。如果将这两个梳组合并引导至共同的光学检测器，则检测器生成的电信号将在分裂频率下包含极其尖锐的峰。如果需要，可通过在谐振器环外部的区域中滤除光信号中的泵频率来实现电信号的进一步缩小。
用于生成两个偏移频率梳的两个光泵通常可来自独立的激光器并且是不相关的，或者另选地，可来自相同的激光器并且是相关的。如果使用两个相关泵，则所生成的所得RF信号预计具有较低相位噪声和较窄的对应线宽。
本发明的系统可被实现为产生例如高性能，较窄线宽，RF振荡器。较窄线宽是因为梳线中的功率较高而产生的，并且是光学谐振器中的非线性波长转换过程的内在特征。
下文结合附图描述了各种实施方案的更多细节。
图1示出了根据一个实施方案的光学频率梳发生器装置100。梳发生器装置100包括总线波导110和至少一个光学环形谐振器112，该至少一个光学环形谐振器112光学耦合至总线波导110。光栅116，诸如布拉格光栅，其位于环形谐振器112上且与总线波导110相对。在一个实施方案中，环形谐振器112为微谐振器，其可使用标准微加工技术形成。
当使用布拉格光栅时，该布拉格光栅可被设计成在宽范围内分裂为均匀的频率。布拉格光栅可被反向设计成在给定波长范围内具有均匀的光栅强度。布拉格光栅的任意透射光谱可通过限定傅立叶域中需要的内容来设计，然后可执行傅立叶逆变换以获得空间分布。
具有光栅116的环形谐振器112被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的反向传播光学频率梳。例如，当两个反向传播光束通过总线波导110的相对端耦合到梳装置100中时，光栅116操作以将环形谐振器112的逆时针(CCW)传播模式耦合到环形谐振器112的顺时针(CW)传播模式。这导致生成彼此偏移的第一反向传播光学频率梳和第二反向传播光学频率梳。
图2示出了根据另一个实施方案的具有耦合的双环形谐振器的光学频率梳发生器装置200。梳发生器装置200包括总线波导210和第一光学环形谐振器212，该第一光学环形谐振器212光学耦合至总线波导210。第二光学环形谐振器214通过光栅耦合器216光学耦合到第一光学环形谐振器212，该光学耦合器诸如与总线波导210相对定位的光栅辅助的反定向耦合器。光栅耦合器216由分别位于环形谐振器212和214上的相邻光栅结构218和220(诸如布拉格光栅)形成。在一个实施方案中，环形谐振器212和214为微谐振器，其可使用标准微加工技术形成。光栅结构218和220可被反向设计成在给定波长范围内具有均匀的光栅强度。
当两个反向传播光束通过总线波导210耦合到装置200中时，光栅耦合器操作以将CCW传播模式耦合到CW传播模式。这导致环形谐振器212和214生成在可控带宽上彼此偏移的第一反向传播光学频率梳和第二反向传播光学频率梳。
尽管图2的实施方案涉及耦合的双环形谐振器，但应当理解，附加的环形谐振器(多于两个)能以耦合布置方式一起使用，以提供其他光学频率梳形发生器装置。
图3A和图3B为模拟的曲线图，其示出了使用不同光栅耦合器的耦合双环形谐振器的透射光谱。在这些模拟中，针对每组耦合的双环形谐振器，使用相同的谐振器但具有不同的光栅耦合器，以展示光栅耦合器性能。如本文所用，术语“kappa”表示每个光栅耦合器的耦合系数。
图3A示出了当使用较弱光栅耦合器时，第一组耦合的双环形谐振器(第一谐振器和第二谐振器)的投射光谱，该较弱光栅耦合器操作以将来自第一谐振器的光的仅一部分耦合至第二谐振器，反之亦然。图3A的透射光谱指示，当使用较弱光栅耦合器时，在阻带310(kappa＝0.5)中发生较弱耦合。
图3B示出了当使用较强光栅耦合器时，第二组耦合的双环形谐振器(第一谐振器和第二谐振器)的投射光谱，该较强光栅耦合器操作以将来自第一谐振器的所有光耦合至第二谐振器，反之亦然。图3B的透射光谱指示，当使用较强光栅耦合器时，在阻带320(kappa→1)中发生较强的耦合。在光返回至耦合的双环形谐振器中总线波导所在的耦合器之前使用较强光栅耦合器有效地使往返路径长度加倍。因此，所有光在第一谐振器的一半周围，在第二谐振器的完整周围，然后在第一谐振器的另一半周围。使往返路径长度加倍具有将自由光谱范围切割为两部分的效果，如图3B的曲线图所示，其中共振线在阻带320内的距离是共振线在阻带320之外的距离的两倍。当使用较弱光栅耦合器时，图3A中未示出此类效果。
上述模拟展示了通过模拟控制共振之间的耦合，可改变共振之间的分裂，然后当共振分裂相互作用时，限定RF输出频率。这具有形成跨越光栅的光谱窗口的截短的梳的有益效果，从而为梳的每条线提供更多功率并且避免对梳进行放大的需要。由于梳仅在光谱窗内形成，因此功率通过较少共振进行分布，从而导致更多的功率通过每个谐振线。
图4示出了根据另一个实施方案的具有耦合的双环形谐振器的光学频率梳发生器系统300。梳发生器系统300包括总线波导310和第一光学环形谐振器312，该光学环形谐振器312光学耦合至总线波导310。第二光学环形谐振器314通过光栅耦合器316光学耦合至第一光学环形谐振器312，该光栅耦合器诸如与总线波导310相对定位的光栅辅助的反定向耦合器。光栅耦合器316由分别位于环形谐振器312和314上的相邻光栅结构318和320(诸如布拉格光栅)形成。光栅结构318和320可被反向设计成在给定波长范围内具有均匀的光栅强度
环形谐振器314光学耦合到输出波导322，该输出波导通过50-50耦合器324耦合到光学检测器326。两个光泵(泵1a和泵2a)被配置为通过总线波导310的相对端将反向传播光束耦合到梳发生器系统300中。
在梳生成系统300的操作期间，泵1a和2a将两个反向传播光束发射到总线波导310中，使得光学环形谐振器312和314生成在可控带宽上彼此偏移并耦合到输出波导322中的第一反向传播光学频率梳和第二反向传播光学频率梳(梳1b和梳2b)。梳1b和2b通过耦合器324同步振动并且被发送至光学检测器326以生成RF信号。
图5为针对诸如图4所示的光学频率梳发生器系统的关于输出功率和波长的输出梳的示例性光学光谱的图表。图5的曲线图示出，当在输出波导处测量时，所生成的梳(梳1b和2b)相对于彼此偏移，其中偏移处于固定频率。这允许测量光学检测器处的所有梳线，或者可在滤除梳线的其余部分的同时观察特定梳线。
示例性实施方案
实施例1包括一种光学频率梳发生器装置，该装置包括：总线波导；至少第一光学环形谐振器，该第一光学环形谐振器光学耦合至总线波导；和至少第一光栅，该第一光栅位于第一光学环形谐振器上且与总线波导相对；其中第一光学环形谐振器和第一光栅被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的反向传播光学频率梳。
实施例2包括根据实施例1所述的装置，其中第一光栅包括布拉格光栅，其被反向设计为在给定波长范围内具有均匀的光栅强度。
实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的装置，其中当两个反向传播光束通过总线波导耦合到装置中时，第一光栅操作以将第一光学环形谐振器的逆时针(CCW)传播模式耦合至顺时针(CW)传播模式。
实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的装置，其中第一光学环形谐振器为微谐振器。
实施例5包括实施例1至4中任一项所述的装置，还包括：至少第二光学环形谐振器，该第二光学环形谐振器通过光栅耦合器光学耦合到光学环形谐振器；其中光栅耦合器包括第一光栅和第二光栅，该第二光栅位于第二光学环形谐振器上，该第二光栅与第一光栅相邻。
实施例6包括根据实施例5所述的装置，其中第一光栅和第二光栅包括布拉格光栅，其被反向设计为在给定波长范围内具有均匀的光栅强度。
实施例7包括根据实施例5至6中任一项所述的装置，其中光栅耦合器包括光栅辅助的反定向耦合器。
实施例8包括根据实施例5至7中任一项所述的装置，其中当两个反向传播光束通过总线波导耦合到装置中时，光栅耦合器操作以将CCW传播模式耦合到CW传播模式。
实施例9包括根据实施例5至8中任一项所述的装置，其中第一光学环形谐振器和第二光学环形谐振器被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的反向传播光学频率梳。
实施例10包括根据实施例5至9中任一项所述的装置，其中第一光学环形谐振器和第二光学环形谐振器为微谐振器。
实施例11包括一种光学频率梳发生器装置，该装置包括：总线波导；与总线波导光学连通的第一光学环形谐振器；第一光栅，该第一光栅位于第一光学环形谐振器上且与总线波导相对；与第一光学环形谐振器光学连通的第二光学环形谐振器；第二光栅，该第二光栅位于第二光学环形谐振器，该第二光栅与第一光栅相邻；输出波导，该输出波导与第二光学环形谐振器连通，该输出波导包括光学耦合器；和光学检测器，该光学检测器通过光学耦合器与输出波导光学连通；其中第一光栅和第二光栅被配置为作为光栅耦合器相互作用，当两个反向传播的光束耦合到总线波导时，该光栅耦合器操作以将CCW传播模式耦合至顺时针CW传播模式；其中第一光学环形谐振器和第二光学环形谐振器被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的第一反向传播光学频率梳和第二反向传播光学频率梳；其中光学频率梳耦合到输出波导并且通过光学耦合器同步振动，并将其发送至光学检测器以生成RF信号。
实施例12包括根据实施例11所述的系统，其中第一光栅和第二光栅包括布拉格光栅，其被反向设计为在给定波长范围内具有均匀的光栅强度。
实施例13包括根据实施例11至12中任一项所述的系统，其中光栅耦合器包括光栅辅助的反定向耦合器。
实施例14包括根据实施例11至13中任一项所述的系统，其中第一光学环形谐振器和第二光学环形谐振器为微谐振器。
实施例15包括一种方法，该方法包括：提供光学频率梳发生器装置，该光学频率梳发生器装置包括总线波导、光学耦合至总线波导的至少第一光学环形谐振器、以及至少第一光栅，该第一光栅位于光学环形谐振器上且与总线波导相对；将两个反向传播光束通过总线波导输入到该装置中；从该装置输出在可控带宽上彼此偏移的两个反向传播光学频率梳；以及使所述光学频率梳同步振动以生成RF信号。
实施例16包括根据实施例15所述的方法，其中当两个反向传播光束被输入到装置中时，第一光栅操作以将CCW传播模式耦合到CW传播模式；其中RF信号为MHz至GHz范围内的稳定窄线宽RF信号。
实施例17包括根据实施例15至16中任一项所述的方法，其中该装置还包括：至少第二光学环形谐振器，该第二光学环形谐振器通过光栅耦合器光学耦合到第一光学环形谐振器；其中光栅耦合器包括第一光栅和第二光栅，该第二光栅位于第二光学环形谐振器上，第二光栅与第二光栅相邻。
实施例18包括根据实施例17所述的方法，其中光栅耦合器包括光栅辅助的反定向耦合器。
实施例19包括根据实施例17至18中任一项的方法，其中当两个反向传播光束输入装置中时，光栅耦合器操作以将CCW传播模式耦合到CW传播模式。
实施例20包括根据实施例17至19中任一项所述的方法，其中第一光学环形谐振器和第二光学环形谐振器为微谐振器。
本发明可以其他具体形式体现，而不脱离其基本特性。所述实施例在所有方面将被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前述说明书指出。在权利要求的等价性的含义和范围内的所有变化都将涵盖在其范围内。

Claims (3)

1.一种光学频率梳发生器装置，包括：
总线波导；
至少第一光学环形谐振器，所述至少第一光学环形谐振器光学耦合到所述总线波导；
至少第一光栅，所述至少第一光栅位于所述第一光学环形谐振器上且与所述总线波导相对；
第一光泵，所述第一光泵操作以通过所述总线波导将第一光束耦合到所述第一光学环形谐振器中；和
第二光泵，所述第二光泵操作以通过所述总线波导将第二光束耦合到所述第一光学环形谐振器中，
其中所述第一和第二光束被耦合到所述第一光学环形谐振器中，使得所述第一和第二光泵中的每一个被分别锁定到所述第一光学环形谐振器的两个分开的共振中的一个，
其中当所述第一和第二光束被耦合到所述第一光学环形谐振器中时，所述第一光学环形谐振器和所述第一光栅被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的反向传播光学频率梳。
2.一种光学频率梳发生器系统，包括：
总线波导；
第一光学环形谐振器，所述第一光学环形谐振器与所述总线波导光学连通，
第一光栅，所述第一光栅位于所述第一光学环形谐振器上且与所述总线波导相对，
第一光泵，所述第一光泵操作以通过所述总线波导将第一光束耦合到所述第一光学环形谐振器中；
第二光泵，所述第二光泵操作以通过所述总线波导将第二光束耦合到所述第一光学环形谐振器中，
第二光学环形谐振器，所述第二光学环形谐振器与所述第一光学环形谐振器光学连通，
第二光栅，所述第二光栅位于所述第二光学环形谐振器上，所述第二光栅与所述第一光栅相邻；
输出波导，所述输出波导与所述第二光学环形谐振器光学连通，所述输出波导包括光学耦合器；和
光学检测器，所述光学检测器通过所述光学耦合器与所述输出波导光学连通；
其中所述第一和第二光束被耦合到所述第一光学环形谐振器中，使得所述第一和第二光泵中的每一个被分别锁定到所述第一光学环形谐振器的两个分开的共振中的一个，
其中所述第一光栅和所述第二光栅被配置为作为光栅耦合器相互作用，当所述第一和第二光束被耦合到所述总线波导中时，所述光栅耦合器操作以将逆时针(CCW)传播模式耦合到顺时针(CW)传播模式，
其中所述第一光学环形谐振器和所述第二光学环形谐振器被配置为生成在可控带宽上彼此偏移的第一反向传播光学频率梳和第二反向传播光学频率梳，
其中所述光学频率梳耦合到所述输出波导中并通过所述光学耦合器同步振动，并且被发送至所述光学检测器以生成射频(RF)信号。
3.一种用于操作光学频率梳发生器装置的方法，包括：
提供一种光学频率梳发生器装置，所述光学频率梳发生器装置包括：
总线波导；
至少第一光学环形谐振器，所述至少第一光学环形谐振器光学耦合到所述总线波导；
至少第一光栅，所述至少第一光栅位于所述第一光学环形谐振器上且与所述总线波导相对；
第一光泵，所述第一光泵通过所述总线波导操作地耦合到所述第一光学环形谐振器；和
第二光泵，所述第二光泵通过所述总线波导操作地耦合到所述第一光学环形谐振器；
将来自所述第一和第二光泵的第一和第二光束通过所述总线波导输入到所述装置中，其中所述第一和第二光束被耦合到所述第一光学环形谐振器中，使得所述第一和第二光泵中的每一个被分别锁定到所述第一光学环形谐振器的两个分开的共振中的一个；
从所述装置输出在可控带宽上彼此偏移的两个反向传播光学频率梳；以及
使所述光学频率梳同步振动以生成射频(RF)信号。
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