CN110806670A - 一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，属于光学频率梳技术领域。本发明采用腔内泵浦克尔非线性光学腔的方式，通过在腔内引入布里渊增益，利用产生的布里渊激光作为腔内泵浦光，相干驱动激光腔自发产生时域腔孤子，同时腔内泵浦光通过级联四波混频效应产生孤子频率梳。在此基础上，通过改变多波长激光源的频率间隔，获得重复频率可调谐的腔孤子脉冲和孤子频率梳。

Description

一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法
技术领域
本发明属于光学频率梳技术领域，具体涉及一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法。
背景技术
时域腔孤子是一种超短脉冲激光，在克尔非线性光学腔中传输时可保持脉冲形状不变。由于这种特性使其在光通信、可调谐微波和太赫兹波产生、光谱学、测距等领域有着重要的应用价值。时域腔孤子的形成需要在克尔非线性光学腔内非线性效应和色散、增益和损耗之间达到双重平衡。目前，研究者已经在光纤环形腔和光学微腔中观察到时域腔孤子。2010年研究者利用驱动光和寻址脉冲同时注入光纤环形腔首次获得时域腔孤子。随后，研究者在光学微腔中观察到时域腔孤子，提供一种在时域上产生几十千兆赫兹重复频率的超短脉冲、在频域产生具有光滑包络的低噪声光学频率梳的方法。近年来，基于微腔的孤子频率梳研究取得重大突破，已广泛应用于孤子双梳光谱学、大规模并行相干光通信、孤子微梳测距等领域。目前，利用克尔非线性光学腔获得时域腔孤子存在着几个难题。首先，为了驱动腔产生时域腔孤子，注入泵浦光工作频率必须精细调整到红移失谐频率处；其次，由于腔共振频率很容易受到热效应和其它环境扰动的影响，因此需要实时、快速、精准调控注入泵浦光的频率，才可以实现孤子的长期运转；并且，上述时域腔孤子的重复频率主要由腔长决定，难以获得具有大范围重复频率可调谐的孤子频率梳，而具有大范围重复频率可调谐的频率梳在光通信、光传感、光谱学、可调谐微波或太赫兹波产生等方面具有很重要的应用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于腔内泵浦方式产生腔孤子和孤子频率梳的方法，采用本发明的方法获得的腔孤子和孤子频率梳有如下优势：重复频率可调谐、信噪比高、线宽窄、可以长期运转。
本发明提出用基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法原理如下：
通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，当多波长激光功率大于受激布里渊散射阈值时，在腔内产生与多波长激光方向反向的窄线宽布里渊激光，其波长自然位于布里渊增益谱中的腔谐振频率处，作为装置中的腔内泵浦光；当腔内激光功率增加时，由于腔内克尔效应谐振频率向较低频率偏移，此时，产生的腔内布里渊激光频率自动移向更低频率，位于腔红移失谐频率处。腔内泵浦激光在腔内传输，通过非线性效应和色散、增益和损耗双重平衡，产生时域腔孤子；同时，多波长布里渊激光在腔内发生级联四波混频效应，产生孤子频率梳。通过改变多波长激光的频率间隔，可以获得重复频率可调谐腔孤子及孤子频率梳。当腔谐振受到热效应和其它环境扰动的影响，所产生的腔内泵浦激光的频率总是位于腔红移失谐频率处，从而实现时域腔孤子的长期运转。此外，布里渊激光在一定程度上可以充当一个滤波器，可以滤除泵浦激光携带的强度噪声、相位噪声以及经过光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，窄线宽的孤子频率梳。
本发明采取如下技术方案：
一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，具体步骤如下：通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，在腔内产生与多波长激光方向相反的窄线宽布里渊激光，作为腔内泵浦光，其频率位于腔红移失谐频率处；腔内泵浦光在腔内传输，当腔内高非线性光纤中产生的非线性效应和腔内反常色散达到平衡、同时布里渊增益及参量增益与腔内传输损耗、器件损耗和腔内输出达到平衡时，产生时域腔孤子；通过使用在腔内泵浦波长附近色散近零平坦的高非线性光纤，腔内泵浦光在腔内循环时，产生级联四波混频效应，从而产生孤子频率梳。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，使得腔内泵浦激光频率总是位于克尔非线性光学腔腔谐振频率处，使其成为一种可以驱动激光腔产生时域腔孤子的泵浦光；当腔内激光增加时，腔谐振频率移向较低频率，此时，产生的腔内布里渊激光频率自动移向更低频率，位于腔红移失谐频率处，无需人为精细调节泵浦激光频率；
2.即使腔谐振受到热效应和其它环境扰动的影响，所产生的腔内激光的频率仍然总是位于腔红移失谐频率处，从而能够实现时域腔孤子的长期运转，无需人为实时、快速、精准调控注入泵浦光的频率；
3.本发明产生的腔孤子和孤子频率梳的重复频率可调谐；
4、本发明产生的腔孤子和孤子频率梳信噪比高，频率梳中几乎不存在光放大器引入的放大自发辐射噪声，频率梳中多根梳齿的信噪比大于40dB；
5、本发明产生的孤子频率梳的梳齿线宽较窄，可以压窄至约kHz量级。
附图说明
图1为本发明所述的基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的原理图；(a)产生时域腔孤子的实验装置示意图；(b)克尔非线性光学腔中正常(虚线)和红移失谐(实线)情况下腔内泵浦光产生的原理图；(c)利用受激布里渊散射和四波混频效应在克尔非线性光学腔中产生光学频率梳的原理图；
图2为实施例1中所述的基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方式，当克尔非线性光学腔长为322.6m，重复频率为37.5GHz时输出腔孤子和孤子频率梳(a)时域特征和(b)光谱结果；图2b中的插图为重复频率为37.5GHz时腔孤子和孤子频率梳的频谱；
图3为实施例1中所述的基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的装置输出时域特征结果的长期稳定性测试；
图4为实施例1中所述的克尔非线性光学腔中(a)腔纵模及(b)输出激光线宽拍频谱。
图5为实施例2中所述的基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的装置，当克尔非线性光学腔长为34.5m，重复频率为37.5GHz时，输出的腔孤子和孤子频率梳(a)时域特征和(b)光谱结果；图5b中的插图为输出频谱结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
本发明提供了一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法。以下结合附图对本发明进行详细说明。
一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，如附图1(a)所示为本发明所述的基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的原理图；等频率间隔的多波长激光(波长数量大于等于2)注入到克尔非线性腔中，通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，当多波长激光功率超过受激布里渊散射阈值时，产生与其传输方向相反的等频率间隔布里渊激光。所产生的腔内布里渊激光的线宽远小于腔的谐振谱宽，其频率自然位于克尔非线性光学腔的谐振频率处，作为产生腔孤子和孤子频率梳的腔内泵浦光。当非线性克尔光学腔内激光功率增加时，由于克尔效应，腔谐振频率向较低频率偏移，此时，产生的腔内泵浦光频率自动移向腔内红移失谐频率处，达到产生时域腔孤子的必要条件。如图1(b)所示为克尔非线性光学腔中正常(虚线)和红移失谐(实线)情况下腔内泵浦光产生的原理图。腔内泵浦光在具有反常色散的克尔非线性光学腔中循环，通过控制腔内激光的功率，实现腔内非线性效应和色散、增益和损耗的双重平衡，从而产生时域腔孤子，同时多波长腔内泵浦光通过级联四波混频效应产生孤子频率梳。如图1(c)所示为利用受激布里渊散射和四波混频效应在克尔非线性光学腔中产生光学频率梳的原理图。
通过腔内泵浦方式，当多波长激光中心波长为1550nm，波长数为10，相邻波长频率间隔为37.5GHz，平均功率为650mW时，将其注入腔长为322.6m的克尔非线性光学腔，获得时域腔孤子和孤子频率梳。其中腔内300m商用高非线性光纤用于产生布里渊增益以及发生四波混频效应的参量增益，其非线性系数为10W-1km-1，色散在 1500-1600nm波长范围内近零平坦，在1550nm处色散值为-0.5ps2 km-1，色散斜率为0.04ps3 km-1。当多波长激光功率达到布里渊阈值时，将产生与其方向相反的多波长布里渊激光，作为腔内泵浦光在腔内循环，频率位于腔红移失谐频率处。随着功率进一步增加，腔内泵浦光在高非线性光纤中产生级联四波混频效应，从而获得宽带光频梳。所产生时域腔孤子和孤子频率梳的光谱、时域特征曲线及频谱如图2 所示。光频梳光谱范围为1480nm-1600nm，覆盖C+L波段。脉冲曲线和输出光谱可以进行双曲正割拟合、时域上脉冲与连续光相互作用所产生的“下沉”都证明了腔孤子的产生。产生孤子频率梳的3dB带宽为1.3THz，脉宽为2.9ps。在频谱上，观察到位于37.5GHz的主峰，伴随着间隔为622kHz的几个侧峰的产生，对应于322.6m 克尔非线性光学腔的自由光谱范围，此时的腔内激发了多个纵模。
通过腔内泵浦产生腔孤子的方式，即使谐振腔受到热效应和其它环境扰动的影响，所产生的腔内泵浦激光的频率仍总是位于腔红移失谐频率处，从而实现时域腔孤子的长期运转。为了确定时域腔孤子的长期工作稳定性，在多波长激光中心波长为1550nm，波长数为10，相邻波长频率间隔为80GHz，功率为600mW时，将其注入腔长为322.6m的克尔非线性光学腔，产生时域腔孤子，并在半个小时内，每十分钟测试一次装置产生的时域腔孤子的脉冲轮廓。图3为基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的长期稳定性测试结果。半个小时内，孤子稳定输出。
此外，布里渊激光在一定程度上可以充当一个滤波器，可以滤除泵浦激光携带的强度噪声、相位噪声以及经过光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，窄线宽的孤子频率梳。通过延迟自外差法测试了当腔长为 322.6m时输出激光线宽，如图4所示。腔纵模间隔为622kHz，由洛伦兹拟合得到的布里渊激光线宽为4.8kHz。
实施例2
通过腔内泵浦方式，当多波长激光中心波长为1550nm，波长数为10，相邻波长频率间隔为37.5GHz，平均功率为1300mW时，将其注入腔长为34.5m的克尔非线性光学腔，获得单纵模运转的时域腔孤子和孤子频率梳。其中腔内20m商用高非线性光纤用于产生布里渊增益以及发生四波混频效应的参量增益，非线性系数为 10W-1km-1，色散在1500-1600nm波长范围内近零平坦，在1550nm处色散值为-0.5ps2 km-1，色散斜率为0.04ps3 km-1。布里渊增益带宽约20MHz，34.5m光纤腔长度对应于约6MHz腔纵模间隔，可以在34.5m光纤腔中产生单纵模布里渊激光作为腔内泵浦光，从而实现产生的腔孤子和孤子频率梳单纵模运转。当多波长激光功率达到布里渊阈值时，将产生与其方向相反的多波长布里渊激光，作为腔内泵浦光在腔内循环，频率位于红移失谐频率处。随着功率进一步增加，腔内泵浦光在高非线性光纤腔中产生级联四波混频效应，从而获得宽带光频梳。当泵浦功率为1300mW时，所产生时域腔孤子和孤子频率梳的光谱、时域特征曲线及频谱如图5所示。产生孤子频率梳的3dB带宽为0.207THz，脉宽为3ps。图5b中的插图为产生腔孤子的拍频信号，单一的低噪声拍频信号表明了稳定运转单纵模孤子脉冲的形成。
上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (1)

1.一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，其特征在于，具体步骤如下：通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，在腔内产生与多波长激光方向相反的窄线宽布里渊激光，作为腔内泵浦光，其频率位于腔红移失谐频率处；腔内泵浦光在腔内传输，当腔内高非线性光纤中产生的非线性效应和腔内反常色散达到平衡、同时布里渊增益及参量增益与腔内传输损耗、器件损耗和腔内输出达到平衡时，产生时域腔孤子；通过使用在腔内泵浦波长附近色散近零平坦的高非线性光纤，腔内泵浦光在腔内循环时，产生级联四波混频效应，从而产生孤子频率梳。
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