CN111244741B - 一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统及产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统及产生方法，解决现有微腔光频梳的产生过程依赖于专业人员实验能力的，不能自动化产生，从而不利于微腔光频梳工程化应用的问题。该系统包括依次连接的泵浦光源、第一光学环形器、微腔光频梳发生器、第二光学环形器、辅助光源、频梳功率探测单元、激光器频率调谐控制器、控制单元和温度控制器；激光器频率调谐控制器与泵浦光源连接；温度控制器与微腔光频梳发生器连接；频梳功率探测单元与微腔光频梳发生器连接，包括相连接的可调谐光学滤波器和光功率计，且可调谐光学滤波器的通带范围内不包含泵浦光和辅助光；控制单元分别与激光器频率调谐控制器、温度控制器和频梳功率探测单元连接。

Description

一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统及产生方法
技术领域
本发明涉及光学频率梳产生系统，具体涉及一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统及产生方法。
背景技术
光学频率梳是指在光谱范围内存在一系列等间距的频率成分，彼此相位锁定的超短脉冲。光学频率梳在未来高速测距、精密光谱学、光学通信、光钟、频率合成等领域有着重要的作用。近年来光学频率梳的产生主要通过如下三种途径：1、通过传统光纤、固体锁模激光器锁定载波包络与脉冲重频，但其重复频率难以达到10G以上；2、基于电光调制产生光频梳，但受限于驱动源，不利于小型化、集成化与超高重频的脉冲产生；3、基于微环谐振腔光学克尔效应产生光频梳，该技术平台能够满足未来技术小型化与超高重频光频梳的需求。近年来，在众多微环谐振腔，诸如铌酸锂微环谐振腔、氮化硅微环谐振腔、高折射率差玻璃微环谐振腔、氟化镁微环谐振腔等都实现了微腔单孤子光频梳的产生。
目前，受限于微腔高Q值与小尺寸，微环谐振腔的热光效应较强，微腔中的光场能量的变化将会导致微腔谐振峰的显著偏移，进而影响微腔光频梳的产生。因此微腔光孤子光频梳产生主要是基于快速扫频方法与“power-kicking”的方法，其通常在微秒以内完成快速扫频或者“power-kicking”，从而减弱微腔光孤子产生过程中较强的热光效应，促进微腔孤子光频梳的产生。但是此方法产生单孤子光频梳对高速实时反馈电路与专业技术的要求高，不具备实时判断孤子形态的功能，微腔单孤子光频梳产生的效率低，不能确保微腔单孤子光频梳的自动化产生，阻碍了微腔单孤子光频梳的工程化应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有方法产生单孤子光频梳对高速实时反馈电路与专业技术的要求高，不具备实时判断孤子形态的功能，微腔单孤子光频梳产生的效率低，不能确保微腔单孤子光频梳的自动化产生，阻碍了微腔单孤子光频梳的工程化应用的问题，提供一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统及产生方法，该方法和系统实现了微腔孤子光频梳的自动化产生，对于推动微腔孤子光频梳工程化应用具有重要的价值和意义。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：
一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统，包括通过单模光纤依次连接的泵浦光源、第一光学环形器、微腔光频梳发生器、第二光学环形器和辅助光源，还包括频梳功率探测单元、激光器频率调谐控制器、控制单元和温度控制器；所述激光器频率调谐控制器与泵浦光源连接，用于调节泵浦光源的工作波长；所述温度控制器与微腔光频梳发生器连接，用于调节和控制微腔光频梳发生器的微环谐振腔工作温度，以产生光频梳；所述频梳功率探测单元与微腔光频梳发生器连接，包括相连接的可调谐光学滤波器和光功率计，且可调谐光学滤波器的通带范围内不包含泵浦光和辅助光；或者，所述频梳功率探测单元包括相连接的光学布拉格光栅和光功率计，所述光学布拉格光栅用于滤掉泵浦光与辅助光；所述控制单元分别与激光器频率调谐控制器、温度控制器和频梳功率探测单元连接，对激光器频率调谐控制器、温度控制器和频梳功率探测单元进行控制。
进一步地，所述泵浦光源包括通过单模光纤依次连接的第一窄线宽激光器、第一光学放大器和第一偏振控制器，所述第一窄线宽激光器为波长可调谐的窄线宽激光器，其波长调谐范围大于微环谐振腔的一个自由光谱范围。
进一步地，所述第一窄线宽激光器为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，所述第一光学放大器为半导体型或光纤型光学放大器，所述第一偏振控制器为光纤型光学偏振控制器或空间型光学偏振控制器。
进一步地，所述辅助光源包括通过单模光纤依次连接的第二窄线宽激光器、第二光学放大器和第二偏振控制器，所述第二窄线宽激光器为固定波长的窄线宽激光器。
进一步地，所述第二窄线宽激光器为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器；所述第二光学放大器为半导体型或光纤型光学放大器，所述第二偏振控制器为光纤型光学偏振控制器或空间型光学偏振控制器。
进一步地，所述微腔光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔、温度调节器、温度传感器和外部光纤接口；所述微环谐振腔、温度调节器、温度传感器设置在封装壳体内，所述温度控制器用于控制微环谐振腔的工作温度，以产生光频梳；所述温度传感器用于测量微环谐振腔的工作温度；所述外部光纤接口设置在封装壳体的外部，且与微环谐振腔连接。
进一步地，所述微环谐振腔为片上集成的微环谐振腔或回音壁模式微型光学谐振腔；所述温度调节器为半导体制冷器或表面加热器。
进一步地，所述温度控制器为半导体制冷器控制器或直流电源模块。
进一步地，所述第一光学环形器和第二光学环形器为光纤型光学环形器或光纤型光学隔离器。
同时，本发明还提供一种程控微腔单孤子光频梳产生方法，包括以下步骤：
步骤一、调节泵浦光源和辅助光源的输出波长、输出功率和偏振态；
步骤二、初始化，设置单孤子频梳功率判断区间；
步骤三、降低微环谐振腔的温度，设置可调谐光学滤波器的滤波范围，同时读取光功率计的功率，当功率出现大于1dBm的降低时，调节泵浦光源的波长使其向长波长移动或者降低泵浦光源的光学放大器输出功率，并同时轻微增加微环谐振腔的工作温度；
步骤四、通过调节微环谐振腔的工作温度使光频梳进入孤子态，然后通过调节泵浦光源的工作波长，当读取的功率达到设定值区间时，单孤子产生；
步骤五、通过监测微腔单孤子功率变化，实时调整第一窄线宽激光器和第二窄线宽激光器的工作波长，使单孤子光频梳能够稳定存在。
与现有技术相比，本发明技术方案具有如下优势：
1.本发明通过引入辅助光源平衡微腔中的热效应，从而使微腔中储存的光能量基本恒定，进而避免了微腔光孤子光频梳产生时强热光效应引起的谐振峰的漂移的现象，因此引入辅助光系统允许慢速调节激光器的波长或者微腔工作温度实现微腔单孤子光频梳产生，具备了程控单孤子光频梳的前提条件，本发明引入辅助光系统，通过根据输出功率精细控制扫描速度，微腔单孤子光频梳的产生效率能够得到显著的提高，能够满足未来工程化的需求。
2.本发明光学频率梳产生系统可以与目前微腔单孤子光频梳产生方案兼容，能够适用于多种微环谐振腔，具有较大的灵活性。
3.本发明光学频率梳产生系统采用程控的方法产生微腔单孤子光学频率梳，能够满足工程化的需要，有效减轻了对专业技术人员的依赖，促进了未来微腔光孤子光频梳在工程应用等领域的发展，为未来小型化飞秒光学频率梳源提供了保障。
4.本发明所提供的光学频率梳产生系统以功率判别为依据，实现单孤子光学频率梳高效产生，具有较高的产生效率与鲁棒性。
附图说明
图1为本发明程控微腔单孤子光学频率梳产生系统的结构示意图；
图2为本发明系统中泵浦光源的结构示意图；
图3为本发明系统中辅助光源的结构示意图；
图4为本发明系统中频梳功率探测单元的结构示意图；
图5为本发明系统中微腔光频梳发生器的结构示意图；
图6为本发明单孤子光频梳的光谱图；
图7为本发明光频梳功率变化曲线图。
附图标记：1-泵浦光源，2-第一光学环形器，3-微腔光频梳发生器，4-第二光学环形器，5-辅助光源，6-频梳功率探测单元，7-控制单元，8-激光器频率调谐控制器，9-温度控制器，10-单模光纤，11-第一窄线宽激光器，12-第一光学放大器，13-第一偏振控制器，31-封装壳体，32-微环谐振腔，33-温度调节器，34-温度传感器，35-外部光纤接口，51-第二窄线宽激光器，52-第二光学放大器，53-第二偏振控制器，61-可调谐光学滤波器，62-光功率计。
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。
本发明提供一种程控微腔单孤子光学频率梳产生系统及产生方法，解决了微腔单孤子光学频率梳的自动化产生问题，对于推动微腔孤子光频梳工程化应用具有重要的价值和意义。
本发明系统通过可调谐光学滤波器筛选适当的光谱范围，监测光功率计的能量变化，并以微腔光频梳的输出功率从最高下降到一定功率范围为依据，实现控制单元的微腔单孤子光频梳产生。同时，该系统使用辅助光热量平衡系统，操作简单，能够高效的产生单孤子光频梳，为未来商用的小型化微腔单孤子源提供技术支持。
如图1所示，本发明提供的程控微腔单孤子光学频率梳产生系统包括通过单模光纤10依次连接的泵浦光源1、第一光学环形器2、微腔光频梳发生器3、第二光学环形器4和辅助光源5，还包括频梳功率探测单元6、激光器频率调谐控制器8、控制单元7和温度控制器9。激光器频率调谐控制器8与泵浦光源1连接，温度控制器9、频梳功率探测单元6分别与微腔光频梳发生器3连接，控制单元7分别与激光器频率调谐控制器8、温度控制器9和频梳功率探测单元6连接，对激光器频率调谐控制器8、温度控制器9和频梳功率探测单元6进行控制。
如图2所示，泵浦光源1包括通过单模光纤10依次连接的第一窄线宽激光器11、第一光学放大器12和第一偏振控制器13。第一窄线宽激光器11为波长可调谐的窄线宽激光器，波长调谐范围需要大于微环谐振腔32的一个自由光谱范围。波长可调谐的窄线宽激光器具体可为窄线宽半导体激光器、窄线宽光纤激光器或其它类型的窄线宽激光器。第一光学放大器12具体可为半导体型或者光纤型光学放大器，其具有足够大的光学增益，其输出具有足够大的功率以产生孤子光频梳。第一偏振控制器13具体可为光纤型光学偏振控制器或空间型光学偏振控制器。
泵浦光源1中，第一窄线宽激光器11为第一光学放大器12提供种子源，第一光学放大器12为单孤子光频梳产生泵浦光源1，第一偏振控制器13用于调整放大光入射到微环谐振腔32的偏振状态，保证泵浦光与辅助光同单孤子产生的模式相同。
如图3所示，辅助光源5用于维持微腔光频梳发生器3的腔内热平衡，促进单孤子光频梳的产生，其包括通过单模光纤10依次连接的第二窄线宽激光器51、第二光学放大器52和第二偏振控制器53。第二窄线宽激光器51为固定波长的窄线宽激光器，具体可为窄线宽半导体激光器、窄线宽光纤激光器或其它类型的窄线宽激光器。第二光学放大器52具体可为半导体型或光纤型光学放大器，具有足够大的光学增益，其输出功率足以实现微环谐振腔32内的热平衡；第二偏振控制器53具体可为光纤型光学偏振控制器或空间型光学偏振控制器。
辅助光源5中，第二光学放大器52为单孤子光频梳产生提供热平衡光源，第二偏振控制器53用于调整放大光入射到微环谐振腔32的偏振状态，保证泵浦光与辅助光同单孤子产生的模式相同。
第一光学环形器2和第二光学环形器4为光纤型光学环形器或光纤型光学隔离器。第一光学环形器2用于保证放大光的单向传输，避免影响第一窄线宽激光器11与第一光学放大器12的工作状态。第二环形器4能够阻碍泵浦光入射到辅助光系统中，进而起保护设备的作用。
微腔光频梳发生器3用于产生微腔单孤子光学频率梳，包括微环谐振腔32、温度调节器33、温度传感器34、外部光纤接口35以及封装壳体31。微环谐振腔32、温度调节器33、温度传感器34设置在封装壳体31内，温度控制器9用于控制微环谐振腔32的工作温度，以产生光频梳；温度传感器34用于测量微环谐振腔32的工作温度；外部光纤接口35设置在封装壳体31的外部，且与微环谐振腔32连接。具体的，温度调节器33为半导体制冷器或表面加热器；微环谐振腔32为片上集成的微环谐振腔32或回音壁模式微型光学谐振腔，微环谐振腔32为具有高品质因子的微环谐振腔32，其品质因子通常大于105，微环谐振腔32具有三阶非线性增益。
如图4所示，频梳功率探测单元6包括可调谐光学滤波器61和光功率计62；可调谐光学滤波器61的通带范围内不包含泵浦光和辅助光，其用于筛选光频梳光谱范围，避免泵浦光与辅助光的影响。光功率计62用于监测微腔光频梳能量的变化，为捕获单孤子提供依据；光功率计62可为商用高速光功率计62，或者为由光电探测器和模数转换器构成的光功率探测系统。频梳功率探测单元6如果不采用光学滤波器，也可以采用某一带宽的光学布拉格光栅，滤掉泵浦光与辅助光。
激光器频率调谐控制器8用于精密调整第一窄线宽激光器11的输出功率或者工作波长，促使微腔多孤子光频梳演化程单孤子光频梳；其具体可为低噪声的电压源、商用低噪直流电源或高分辨率的信号源。
温度控制器9用于调节与控制微环谐振腔32的工作温度，以产生光频梳，可采用半导体制冷器控制器或者直流电源模块，具体可为商用的TEC控制器。
控制单元7用于监测与控制微腔光频梳产生，其中包括多孤子光频梳产生判别、单孤子光频梳产生的判别、微环谐振腔32工作温度的调节、激光器工作波长的精密调节。控制单元7具体为计算机程序控制系统或者嵌入式程序控制系统，用于读取微腔光频梳的功率，并根据光频梳功率反馈控制温度控制器9和泵浦激光器的波长。
在本发明实施例中，第一窄线宽激光器11采用可调谐窄线宽激光器，其线宽为100kHz，泵浦光输出波长为1560.2纳米，辅助光输出波长为1562.6纳米。第一光学放大器12和第二光学放大器52采用掺铒光纤型放大器，第一偏振控制器13、第二偏振控制器53、第一光学环形器2与第二光学环形器4为能够承受10W的高功率光学器件，微腔光频梳发生器3采用上下话路型的高折射率差玻璃微环谐振腔32，并将其与热敏电阻、温度传感器34、温度调节器33封装在金属壳体，可调谐光学滤波器61的滤波带宽为15纳米，滤波范围为1542纳米至1557纳米；光功率计62为商用光功率计6262，带有通信接口。
综上所述，本发明提供的程控微腔单孤子光学频率梳产生系统具有操作简单，单孤子产生效率与鲁棒性高的优点，能够有效减轻对专业技术人员的依赖，促进了未来微腔光孤子光频梳在工程应用等领域的发展，为未来小型化飞秒光学频率梳源提供了保障。
本发明通过引入辅助光源平衡微腔中的热效应，从而使微腔中储存的光能量基本恒定，进而避免了微腔光孤子光频梳产生时强热光效应引起的谐振峰的漂移的现象，因此引入辅助光系统允许慢速调节激光器的波长或者微腔工作温度实现微腔单孤子光频梳产生，具备了程控单孤子光频梳的前提条件，本发明引入辅助光系统，通过根据输出功率精细控制扫描速度，微腔单孤子光频梳的产生效率能够得到显著的提高，能够满足未来工程化的需求。
同时，本发明还提供一种程控微腔单孤子光频梳产生方法，包括以下步骤：
步骤一、打开所有的仪器与设备，调节第一窄线宽激光器11、第二窄线宽激光器51的输出波长、第一光学放大器12和第一光学放大器12的输出功率以及第一偏振控制器13和第一偏振控制器13的偏振态；
1.1)设置第一窄线宽激光器11的工作波长1560.2纳米，第二窄线宽激光器51的工作波长为1562.6纳米；
1.2)设置第一光学放大器12和第一光学放大器12的输出功率为900mW；
1.3)调节第一偏振控制器13和第一偏振控制器13的偏振态，使泵浦光与辅助光入射到微环谐振腔32的模式与微腔单孤子光频梳的模式相同；
步骤二、进行初始化，设置单孤子频梳功率判断区间；
设置微腔单孤子光频梳功率判断范围，设置单孤子功率区间；
步骤三、降低微环谐振腔32的温度，设置可调谐光学滤波器61的滤波范围，同时读取光功率计62的功率，当功率出现大于1dBm的降低时，调节第一窄线宽激光器11的波长使其向长波长移动或者降低第一光学放大器12输出功率，并同时轻微增加微环谐振腔32的工作温度；
具体的，设置可调谐光学滤波器61的滤波带宽为15纳米，滤波范围为1542纳米至1557纳米；
步骤四、通过调节微环谐振腔32的工作温度使光频梳进入孤子态，然后通过调节第一窄线宽激光器11的工作波长，当读取的功率达到设定值区间时，单孤子产生；
具体的，将微环谐振腔32的工作温度设置到高温，通过TEC温度控制器9降低其工作温度，使微腔光频梳进入多孤子态，若无多孤子态产生，则调节辅助光工作波长，直到能出现多孤子态光频梳，然后通过激光器频率调谐控制器8精密增加泵浦光输出波长，并缓慢提高微环谐振腔32的工作温度，当输出功率在-11dBm—13dBm时，单孤子产生；
步骤五、通过监测微腔单孤子功率变化，实时调整第一窄线宽激光器11和第二窄线宽激光器51的工作波长，使单孤子光频梳能够稳定存在。

Claims (9)

1.一种程控微腔单孤子光频梳产生方法，该方法基于程控微腔单孤子光学频率梳产生系统实现，所述程控微腔单孤子光学频率梳产生系统包括通过单模光纤(10)依次连接的泵浦光源(1)、第一光学环形器(2)、微腔光频梳发生器(3)、第二光学环形器(4)和辅助光源(5)，其特征在于：还包括频梳功率探测单元(6)、激光器频率调谐控制器(8)、控制单元(7)和温度控制器(9)；所述激光器频率调谐控制器(8)与泵浦光源(1)连接，用于调节泵浦光源(1)的工作波长；所述温度控制器(9)与微腔光频梳发生器(3)连接，用于调节和控制微腔光频梳发生器(3)的微环谐振腔工作温度，以产生光频梳；所述频梳功率探测单元(6)与微腔光频梳发生器(3)连接，包括相连接的可调谐光学滤波器(61)和光功率计(62)，且可调谐光学滤波器(61)的通带范围内不包含泵浦光和辅助光；或者，所述频梳功率探测单元(6)包括相连接的光学布拉格光栅和光功率计(62)，所述光学布拉格光栅用于滤掉泵浦光与辅助光；所述控制单元(7)分别与激光器频率调谐控制器(8)、温度控制器(9)和频梳功率探测单元(6)连接，对激光器频率调谐控制器(8)、温度控制器(9)和频梳功率探测单元(6)进行控制；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、调节泵浦光源和辅助光源的输出波长、输出功率和偏振态；
步骤二、初始化，设置单孤子频梳功率判断区间；
步骤三、降低微环谐振腔的温度，设置可调谐光学滤波器的滤波范围，同时读取光功率计的功率，当功率出现大于1dBm的降低时，调节泵浦光源的波长使其向长波长移动或者降低泵浦光源的光学放大器输出功率，并同时增加微环谐振腔的工作温度；
步骤四、通过调节微环谐振腔的工作温度使光频梳进入孤子态，然后通过调节泵浦光源的工作波长，当读取的功率达到设定值区间时，单孤子产生；
步骤五、通过监测微腔单孤子功率变化，实时调整第一窄线宽激光器和第二窄线宽激光器的工作波长，使单孤子光频梳能够稳定存在。
2.根据权利要求1所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述泵浦光源(1)包括通过单模光纤(10)依次连接的第一窄线宽激光器(11)、第一光学放大器(12)和第一偏振控制器(13)，所述第一窄线宽激光器(11)为波长可调谐的窄线宽激光器，其波长调谐范围大于微环谐振腔的一个自由光谱范围。
3.根据权利要求2所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述第一窄线宽激光器(11)为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，所述第一光学放大器(12)为半导体型或光纤型光学放大器，所述第一偏振控制器(13)为光纤型光学偏振控制器或空间型光学偏振控制器。
4.根据权利要求3所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述辅助光源(5)包括通过单模光纤(10)依次连接的第二窄线宽激光器(51)、第二光学放大器(52)和第二偏振控制器(53)，所述第二窄线宽激光器(51)为固定波长的窄线宽激光器。
5.根据权利要求4所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述第二窄线宽激光器(51)为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器；所述第二光学放大器(52)为半导体型或光纤型光学放大器，所述第二偏振控制器(53)为光纤型光学偏振控制器或空间型光学偏振控制器。
6.根据权利要求1至5任一所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述微腔光频梳发生器(3)包括封装壳体(31)、微环谐振腔(32)、温度调节器(33)、温度传感器(34)和外部光纤接口(35)；所述微环谐振腔(32)、温度调节器(33)、温度传感器(34)设置在封装壳体(31)内，所述温度控制器(9)用于控制微环谐振腔(32)的工作温度；所述温度传感器(34)用于测量微环谐振腔(32)的工作温度；所述外部光纤接口(35)设置在封装壳体(31)的外部，且与微环谐振腔(32)连接。
7.根据权利要求6所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述微环谐振腔(32)为片上集成的微环谐振腔或回音壁模式微型光学谐振腔；所述温度调节器(33)为半导体制冷器或表面加热器。
8.根据权利要求7所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述温度控制器(9)为半导体制冷器控制器或直流电源模块。
9.根据权利要求8所述的程控微腔单孤子光频梳产生方法，其特征在于：所述第一光学环形器(2)和第二光学环形器(4)为光纤型光学环形器或光纤型光学隔离器。
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