CN110967167A - 一种微腔光频梳重频稳定性测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学频率梳重频稳定性测量系统，具体涉及一种微腔光频梳重频稳定性测试系统及测试方法，针对现有微腔光频梳重频稳定性测量系统结构复杂、成本高、以及测量精度对参考源依赖的弊端。该微腔光频梳重频稳定性测试系统包括窄线宽泵浦源、微腔光频梳发生器、光学滤波器、延时自外差干涉模块、光电探测器和频谱分析仪；窄线宽泵浦源、微腔光频梳发生器、光学滤波器、延时自外差干涉模块和光电探测器依次通过光纤连接；光电探测器和频谱分析仪通过电缆进行连接。本发明系统使用成熟的延时自外差法实现超高重频光学频率梳重频稳定性的测试，测试系统具备较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学频率梳重频稳定性测量系统，具体涉及一种微腔光频梳重频稳定性测试系统及测试方法，更具体涉及一种基于延时自外差法对微腔光频梳重频稳定性测试的系统和方法，对微腔光频梳在微秒量级时间内的重频稳定性进行积分测量。
背景技术
光学频率梳是由一系列离散的、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。
重频稳定性是体现光频率梳稳定性的重要特征，直接决定了光学频率梳的潜在实际应用价值。相对于传统基于锁模激光器的光频率梳，微腔光频率梳具有高重复频率，一般在数十GHz到THz。通常使用频率计数器对光频梳重频稳定性进行平均测量，使用秒均或百秒均的频率波动反映光频梳的稳定性。受限于目前光电探测器和频率计数器的带宽，无法对重频在100GHz以上的微腔光频梳进行直接测量，因此需要引入参考光或者光电调制器等方案以实现对微腔光频梳的降频，此种方式增加了测量系统的复杂性和成本，并且由于参考量的引入而增大了测量误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有微腔光频梳重频稳定性测量系统结构复杂、成本高以及测量精度对参考源依赖的弊端，提供一种微腔光频梳重频稳定性测试系统及测试方法，该系统和方法实现对微腔光频梳重复频率的高精度的测量，测量结果反映出微腔光频梳在微秒量级时间内的积分波动，为评估微腔光频梳的性能提供一个重要参考，同时该系统具有测量精度高、结构简单、成本低等优点。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种微腔光频梳重频稳定性测试系统，包括窄线宽泵浦源、微腔光频梳发生器、光学滤波器、延时自外差干涉模块、光电探测器和频谱分析仪；所述窄线宽泵浦源、微腔光频梳发生器、光学滤波器、延时自外差干涉模块和光电探测器依次通过光纤连接；所述光电探测器和频谱分析仪通过电缆连接。
进一步地，所述延时自外差干涉模块包括光纤分束器、声光调制器、延时光纤和光纤合束器；所述声光调制器分别与光纤分束器、光纤合束器连接，用于实现光信号的移频，使延时自外差干涉模块的输出拍频信号不在零频；所述延时光纤分别与光纤分束器、光纤合束器连接，所述光纤分束器与光学滤波器连接，所述光纤合束器与光电探测器连接。
进一步地，所述窄线宽泵浦源为超窄线宽的光纤激光器、超窄线宽的半导体激光器或超窄线宽的参量振荡激光器。
进一步地，所述光学滤波器为中心波长可调谐的带通滤波器、波分复用器或阵列波导光栅分光器。
进一步地，所述光学滤波器为光栅类型的C+L波段的光学滤波器，其通带带宽和中心波长均可调谐。
进一步地，所述窄线宽泵浦源、微腔光频梳发生器、光学滤波器、延时自外差干涉模块和光电探测器依次通过单模光纤连接。
本发明还提供一种基于上述微腔光频梳重频稳定性测试系统的测试方法，包括如下步骤：
1)搭建微腔光频梳重频稳定性测试系统；
2)打开窄线宽泵浦源，调节微腔光频梳发生器，产生稳定的高品质微腔光频梳；
3)调节光学滤波器中心波长和通带带宽，筛选出单个光频梳梳齿；
4)将筛选出的微腔光频梳梳齿接入延时自外差干涉模块，
5)打开声光调制器的驱动源，调节光信号的频率；
6)光电探测器对延时自外差干涉模块的输出光信号进行探测，得到拍频信号；
7)光电探测器将拍频信号输入至频谱分析仪，频谱分析仪测量拍频信号的功率谱密度，读取功率谱密度的带宽，即光频梳梳齿的频率波动；
8)重复步骤3)至步骤7)，测量多个光频梳梳齿的频率波动；
9)将得到的多个光频梳梳齿的频率波动值进行分段线性拟合，拟合直线的斜率即为光频梳的重频波动。
进一步地，还包括步骤10)，改变延时光纤的长度，测量得到不同积分时间内的光频梳重频波动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明系统使用成熟的延时自外差法实现超高重频光学频率梳重频稳定性的测试，测试系统具备较高的可靠性。
2.本发明系统无需超稳频的参考源或超高速的光电器件对超高重频光学频率梳进行降频，使重频稳定性测试系统简单可靠，且成本低廉。
3.本发明系统微腔光频梳第n个梳齿的频率波动是泵浦源频率波动和n倍重频波动之和，相当于将重频的波动放大了n倍，因此本发明具有较高的测量精度。
附图说明
图1为本发明微腔光频梳重频稳定性测试系统的原理图；
图2为本发明系统中延时自外差干涉模块的结构示意图；
图3为本发明实施例中理想情况下窄线宽激光器的PSD图；
图4为本发明实施例中在延时时间内具有10kHz频率波动的窄线宽激光器的PSD图；
图5为本发明实施例中孤子晶体态微腔光频梳的光谱图；
图6为本发明实施例中延时光纤长度为2km时测得频率波动结果；
图7为本发明实施例中延时光纤长度为25km时测得频率波动结果。
附图标记：1-窄线宽泵浦源，2-微腔光频梳发生器，3-光学滤波器，4-延时自外差干涉模块，5-光电探测器，6-频谱分析仪，41-光纤分束器，42-声光调制器，43-延时光纤，44-光纤合束器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
针对超高重频微腔光频梳重频稳定性的测试需求，本发明提供了一种新的微腔光频梳重频稳定性测试系统及测试方法，实现了对微腔光频梳在微秒级时间内重频波动的积分测量，该系统无需增加参考光，提高了测量精度且具有成本低、速率高和操作简单的特点，为表征微腔光频梳性能提供了一项有效的技术方案。
如图1所示，本发明提供一种基于延时自外差法的微腔光频梳重频稳定性测试系统，该系统包括通过单模光纤依次连接的窄线宽泵浦源1、微腔光频梳发生器2、光学滤波器3、延时自外差干涉模块4和光电探测器5，光电探测器5和用于光学拍频信号测量的频谱分析仪6通过电缆连接。其中，窄线宽泵浦源1和微腔光频梳发生器2为测试系统提供待测信号，即高品质的微腔孤子光频梳。光学滤波器3用于选取光频梳梳齿，分别进行频率稳定性测试；延时自外差干涉模块4包括由光纤连接的光纤分束器41、声光调制器42、延时光纤43和光纤合束器44，声光调制器42用于光信号移频，在非零频处产生拍频信号，便于频率稳定性测试。频谱分析仪6通过各个梳齿的频率波动拟合得到光频梳的重频波动。该系统无需超稳的参考源或高频器件，具有结构简单、易于操作、成本低廉等优点，是未来评估微腔光频梳性能的一个有效测量方案。
下面对各部件进行详细描述。
窄线宽泵浦源1具有超窄的线宽，泵浦源的相干长度远大于延时光纤43的长度。在本实施例中，窄线宽泵浦源1为一个超窄线宽的光纤激光器，其线宽为100Hz，其输出波长固定为1560.2nm。在其他实施例中，窄线宽泵浦源1也可采用频率稳定的超窄线宽的半导体激光器、超窄线宽的参量振荡激光器或其它类型的窄线宽光源。
微腔光频梳发生器2由高品质因子的微腔和泵浦失谐调谐系统构成，用以产生稳定的孤子态微腔光频梳；该微腔光频梳发生器2是基于高折射率差材料微环谐振腔的孤子晶体光频梳源，采用了半导体制冷器实现微腔孤子光频梳的稳定产生，所产生的光频梳在通信波段的孤子晶体微腔光频梳，频梳宽度为180nm。在其他实施例中，微腔光频梳发生器2可以采用其它材料的高品质因子微腔，微腔孤子光频梳的调节方式可以采用片上加热器温控或其它的方式，所产生的频梳可以为任意波段和频谱宽度。
光学滤波器3为带通滤波器，其中心波长和通带带宽可连续调谐；光学滤波器3具有高的阻带抑制能力，如通带与阻带的消光比达到35dB以上。在本实施例中，光学滤波器3为一个光栅类型的C+L波段的光学滤波器，其通带带宽和中心波长均可调谐，最小的通带带宽为0.1nm。在其他实施例中，光学滤波器3可以为任意可以分离出微腔光频梳各个梳齿的光学滤波器，如波分复用器、阵列波导光栅分光器等。
延时自外差干涉模块4由两个1：1的光纤分束器构成的非灯臂干涉仪构成，其中干涉仪的一个臂接入一个声光调制器42(即声光移频模块)，另一个臂接入一段延时光纤43。具体结构如图2所示，延时自外差干涉模块4由单模光纤连接的光纤分束器41、声光调制器42、延时光纤43和光纤合束器44构成，声光调制器分别与光纤分束器、光纤合束器连接；延时光纤分别与光纤分束器、光纤合束器连接，光纤分束器与光学滤波器连接，光纤合束器与光电探测器连接，其中声光调制器42用以实现光信号的移频，使延时自外差干涉模块4的输出拍频信号不在零频，易于测试。本实施例中，声光调制器42的移频频率为200MHz，延时光纤43的延时时间为光频梳重频波动的积分时间，通过改变延时光纤43的长度可以有效地控制重频波动积分时间，如2km的延时光纤43对应的积分时间为10微秒。
光电探测器5为具有高灵敏度的光电探测器，其带宽大于上述声光移频器的移频频率；本实施例中，光电探测器5的带宽为3GHz，大于声光调制器42的移频频率。
频谱分析仪6为具有较高的频率分辨能力，其频谱分辨率决定了该测量系统的测量精度。
本发明还提供一种微腔光频梳重频稳定性测试方法，包括以下步骤：
1)搭建微腔光频梳重频稳定性测试系统；
2)打开窄线宽泵浦源1，调节高品质因子微环谐振腔的谐振频率，进而控制泵浦光的失谐量，产生稳定的孤子光频梳；
3)调节光学滤波器3的中心波长和通带带宽，选出微腔光频梳的一个梳齿；
4)将选定的微腔光频梳梳齿接入延时自外差干涉模块4；
5)打开声光调制器42的驱动源，调节光信号的频率；
6)光电探测器5对延时自外差干涉模块4的输出光信号进行探测，得到拍频信号；
7)使用高分辨率频谱分析仪6对拍频信号进行探测，获取信号的光电流的功率谱密度(PSD)，PSD谱的3dB带宽即反映出光波在光纤延时时间内的频率波动；
8)更改光学滤波器3的中心波长(即重复步骤3)至步骤7))，重复对各个梳齿的频率波动进行测量；
9)将测量得到的各个梳齿的频率波动以泵浦光波长为分界进行分段线性拟合，拟合直线的斜率即为微腔光频梳在相应的延时时间内的重频波动；
10)改变延时光纤43的长度，测量得到不同积分时间内的光频梳重频波动。
下面详细介绍微腔光频梳重频测量的具体过程：
搭建如图1所示的测试系统，使用一台线宽为100Hz的光纤激光器作为其泵浦源，采用半导体制冷器热调的方案产生孤子晶体频梳，其光谱如图5所示。孤子频梳信号由光学滤波器3选定一根待测梳齿，接入延时自外差干涉模块4；声光调制器42将一路光信号移频200MHz，另一路光信号通过2km或25km的延时光纤43，两路光信号合束后输出延时自外差干涉模块4。延时自外差干涉模块4输出光信号由光电探测器5进行探测，探测到的拍频信号由频谱分析仪6进行探测。由频谱分析仪6读出光频梳各个梳齿的频率波动值，遍历所有可测的光频梳梳齿的频率波动，并将测得的频率波动进行分段线性拟合，拟合直线的斜率即为待测微腔光频梳在相应的延时时间内的重频波动。延时光纤43为2km时的测量结果如图6所示，图7为延时光纤43为25km时的测量结果。
本发明的工作原理：本发明所涉及微腔光频梳由超窄线宽激光器泵浦高品质因子微环谐振腔产生，所产生的微腔光频梳第μ个梳齿的频率fμ可以表示为：
fμ＝fpump+μ·frep (1)
其中，fpump和frep分别为泵浦光频率和微腔光频梳的重频；
相应的第μ个梳齿的频率波动Δfμ可以表示为：
Δfμ＝Δfpump+μ·Δfrep (2)
其中，Δfpump和Δfrep分别为泵浦光的频率波动和微腔光频梳的重频波动。
可见微腔光频梳各个梳齿的波动随模式数的增多而线性增大，因此可以通过测量各个梳齿的频率波动而线性拟合出微腔光频梳的重频波动。而当个梳齿的频率波动可以使用延时自外差测量法进行测量。将微腔输出的光频率梳信号接入一个可调谐的光学滤波器，筛选出待测梳齿的光芯片，接入一个延时自外差干涉模块，待测信号被光分束器分为两路，一路接入声光调制器AOM；另一路接入延时单模光纤模块；二者通过光耦合器合束后，由一个光电探测器5进行探测并由一个频谱分析仪6进行拍频信号探测。
探测器光电流的功率谱密度(PSD)Ss(ω)可表示为：
其中，α为干涉仪两臂的分光比，I0为总的入射光强，τd为延时光纤43的延时时间，τc为待测光场的相干时间，Ω为声光调制器42的频移量。
当τc远大于τd时，PSD表达式的后三项不可以忽略，特别是最后一项表现为一个冲击函数，此时的PSD谱如图3所示。对于大多数光源而言，其中心频率并不是一个稳定值，假定光源的频率以ω0为中心的变化，则在延时时间内的频率变化将反映在冲击函数的位置变化，相当于AOM的频移量上叠加了一个波动量。当超高斯的带宽为10kHz时，计算得到的PSD谱如图4所示，PSD谱的3dB带宽即反映出光波在光纤延时时间内的频率波动。而当τc远小于τd时，PSD表达式的后三项可以忽略，测试PSD为一个洛伦兹曲线；如果光波频率波动范围小于其线宽，则难以从PSD中分离出线宽和频率波动。用本发明涉及的延时自外差法测定光频梳频率稳定性时要求频梳相干时间远大于延时时间，即要求微腔光频梳的泵浦光具有超窄的线宽。
本发明提供的微腔光频梳重频稳定性测试系统与方法，解决了现有微腔光频梳重频稳定性测试系统复杂、对参考源依赖等缺陷，为评估微腔光频梳的品质提供了一个简单有效的技术手段。总之，本发明方案具有操作简单方便，系统稳定性高和成本低廉等优点，对未来高重频光学频率梳，特别是微腔光频梳重频稳定性的标定具有重大应用价值。
Claims (8)
1.一种微腔光频梳重频稳定性测试系统，其特征在于：包括窄线宽泵浦源(1)、微腔光频梳发生器(2)、光学滤波器(3)、延时自外差干涉模块(4)、光电探测器(5)和频谱分析仪(6)；
所述窄线宽泵浦源(1)、微腔光频梳发生器(2)、光学滤波器(3)、延时自外差干涉模块(4)和光电探测器(5)依次通过光纤连接；所述光电探测器(5)和频谱分析仪(6)通过电缆连接。
2.根据权利要求1所述的微腔光频梳重频稳定性测试系统，其特征在于：所述延时自外差干涉模块(4)包括光纤分束器(41)、声光调制器(42)、延时光纤(43)和光纤合束器(44)；所述声光调制器(42)分别与光纤分束器(41)、光纤合束器(44)连接，用于实现光信号的移频，使延时自外差干涉模块(4)的输出拍频信号不在零频；所述延时光纤(43)分别与光纤分束器(41)、光纤合束器(44)连接，所述光纤分束器(41)与光学滤波器(3)连接，所述光纤合束器(44)与光电探测器(5)连接。
3.根据权利要求2所述的微腔光频梳重频稳定性测试系统，其特征在于：所述窄线宽泵浦源(1)为超窄线宽的光纤激光器、超窄线宽的半导体激光器或超窄线宽的参量振荡激光器。
4.根据权利要求1或2或3所述的微腔光频梳重频稳定性测试系统，其特征在于：所述光学滤波器(3)为中心波长可调谐的带通滤波器、波分复用器或阵列波导光栅分光器。
5.根据权利要求4所述的微腔光频梳重频稳定性测试系统，其特征在于：所述光学滤波器(3)为光栅类型的C+L波段的光学滤波器，其通带带宽和中心波长均可调谐。
6.根据权利要求5所述的微腔光频梳重频稳定性测试系统，其特征在于：所述窄线宽泵浦源(1)、微腔光频梳发生器(2)、光学滤波器(3)、延时自外差干涉模块(4)和光电探测器(5)依次通过单模光纤连接。
7.基于权利要求1至6任一所述微腔光频梳重频稳定性测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)搭建微腔光频梳重频稳定性测试系统；
2)打开窄线宽泵浦源，调节微腔光频梳发生器，产生稳定的高品质微腔光频梳；
3)调节光学滤波器中心波长和通带带宽，筛选出单个光频梳梳齿；
4)将筛选出的微腔光频梳梳齿接入延时自外差干涉模块，
5)打开声光调制器的驱动源，调节光信号的频率；
6)光电探测器对延时自外差干涉模块的输出光信号进行探测，得到拍频信号；
7)光电探测器将拍频信号输入至频谱分析仪，频谱分析仪测量拍频信号的功率谱密度，读取功率谱密度的带宽，即光频梳梳齿的频率波动；
8)重复步骤3)至步骤7)，测量多个光频梳梳齿的频率波动；
9)将得到的多个光频梳梳齿的频率波动值进行分段线性拟合，拟合直线的斜率即为光频梳的重频波动。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：还包括步骤10)，改变延时光纤的长度，测量得到不同积分时间内的光频梳重频波动。
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