CN111585158A - 基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统与方法 - Google Patents

基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统与方法，解决传统光频梳所面临的带宽重频限制以及微腔光频梳对高性能泵浦光源的依赖问题。系统包括用于提供泵浦激光的泵浦光源单元，用于发生非线性四波混频过程产生中红外波段宽带光频梳的微环谐振腔单元，以及用于实现中红外孤子态光频梳输出的多光子吸收效应控制单元，通过控制微环谐振腔单元加载电压或电流实现稳定的中红外孤子态光频梳产生，操作方法简单，易于实现。

Description

基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统与方法
技术领域
本发明涉及一种中红外光频梳产生系统及方法，尤其涉及一种基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统及方法。
背景技术
中红外波段激光不仅是衰减最小的大气窗口，也是飞机、导弹、坦克等热源的主要辐射波段，同时覆盖了众多原子及分子的吸收峰，因此在国防、医疗、通信等方面应用中具有得天独厚的优势，对于国家安全和国民经济建设具有重要意义。
中红外光波广泛应用的关键在于高质量光源，尤其是宽带、多波长相干光源的产生。光学频率梳(简称光频梳)由离散的、等间距频率的光学分量构成，是优良的高精细、多波长光源，其发明在激光及计量领域具有里程碑式意义，已在相干通信、精密测量等领域开始发挥重要作用。然而，传统中红外波段光频梳主要采用ZBLAN氟化物光纤或特殊掺杂半导体等器件通过锁模技术实现，系统结构较为复杂，体积、重量大，成本高昂，制约了其现实应用。同时受波导色散不易控制及极限物理腔长制约，大带宽与高重复频率(重频)光频梳的实现尤为困难。
随着集成微纳器件制备能力的快速发展，通过采用先进的薄膜材料生长与超精细加工刻蚀技术，已可以制备出具备高品质因子(Q)的微环谐振腔(微腔)芯片，为光频梳的实现提供了崭新的技术手段。高Q值低模式体积的微腔可将光场强度增强约6～8个数量级，极大提高了材料的非线性效应，并具备小尺寸、低功耗、高重复频率等天然优势。对于微腔光频梳而言，面向现实应用必须降低频梳系统噪声，即需要产生模式严格锁定的孤子态频梳。这通常需要具备高速扫频功能的窄线宽高功率光源在微腔谐振频率附近反复扫描才能实现，然而中红外波段泵浦光源的性能远低于相比其他波段，导致中红外波段的孤子态频梳难以产生。以上诸多问题均严重制约了中红外微腔光频梳的实用化与技术进一步发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统与方法，解决传统光频梳所面临的带宽重频限制以及微腔光频梳对高性能泵浦光源的依赖问题，实现超宽带、高重频、低阈值的中红外孤子光频梳，突破现有技术瓶颈，为促进中红外光频梳的现实应用提供新方法，具有重大的研究意义和应用价值。
本发明的技术解决方案是提供一种基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括泵浦光源单元、微环谐振腔单元与多光子吸收效应控制单元；
上述泵浦光源单元用于提供泵浦激光；
上述微环谐振腔单元用于接收泵浦激光，发生非线性四波混频过程，产生中红外波段宽带光频梳；
上述多光子吸收效应控制单元用于通过调节微环谐振腔单元中的自由载流子密度控制多光子吸收效应，使得微环谐振腔单元输出中红外孤子态光频梳。
进一步地，上述泵浦光源单元包括中红外窄线宽可调谐连续激光源和显微物镜；上述中红外窄线宽可调谐连续激光源用于出射泵浦激光；上述显微物镜用于压缩泵浦激光模场尺寸后输入至微环谐振腔单元。
进一步地，上述微环谐振腔单元包括微环谐振腔和金属电极；上述微环谐振腔两侧设P型掺杂区与N型掺杂区，上述金属电极与P型掺杂区及N型掺杂区连接。
对于微腔光频梳而言，材料需在其透明窗口波段同时拥有高折射率与高非线性，因此目前中红外波段多采用IV族元素硅材料。然而，硅材料在此波段存在线性损耗较大以及多光子吸收等问题，一般方案需对其进行抑制以免腔内损耗过大，导致系统阈值较高且频梳带宽受限。本发明为了降低线性损耗，选用锗作为微环谐振腔的材料。IV族元素锗材料在中红外波段具备优良的光学特性，在2-10μm波段范围其线性损耗和非线性损耗均较低，同时具备极高的三阶非线性效应，可满足低阈值、高转换效率与超宽带等要求。
进一步地，为了精确的调控自由载流子寿命，上述多光子吸收效应控制单元为波形发生器，上述波形发生器与微环谐振腔单元中的金属电极连接。
进一步地，为了便于实时监测微环谐振腔单元输出的波形，该系统还包括波形监测设备，微环谐振腔单元输出的光波经过准直透镜准直后，入射到波形监测设备。
进一步地，上述波形监测设备为光谱分析仪。
本发明还提供一种利用基于多光子吸收效应调控的中红外孤子态光频梳产生系统实现中红外光频梳产生的方法，包括以下步骤：
步骤一、调节中红外窄线宽可调谐连续激光源出射泵浦激光，使得泵浦激光的强度及偏振满足发生四波混频的强度条件及相位匹配条件；
步骤二、通过显微物镜将泵浦激光模场尺寸进行压缩，入射到微环谐振腔单元中发生四波混频过程；
步骤三、调谐泵浦激光的出射波长，使得泵浦激光的中心波长接近且大于(略大于)微环谐振腔单元的谐振波长；同时调节多光子吸收效应控制单元的输出，降低微环谐振腔单元中的自由载流子密度，抑制多光子吸收效应，开始产生中红外波段多条光频梳梳齿；
步骤四、保持泵浦激光中心波长不变，再次调节多光子吸收效应控制单元的输出，增强微环谐振腔单元腔内自由载流子密度与多光子吸收效应，实现稳定的宽带中红外孤子态光频梳产生。
进一步地，步骤三中，多光子吸收效应控制单元为波形发生器，通过增大波形发生器的输出电压或电流，降低微环谐振腔单元中的自由载流子密度，抑制多光子吸收效应。
进一步地，步骤四中，多光子吸收效应控制单元为波形发生器，通过降低波形发生器的输出电压或电流，增强微环谐振腔单元中的自由载流子密度与多光子吸收效应。
本发明的优点是：
1、本发明采用调控微腔中多光子吸收效应的方法产生中红外孤子态光频梳，解决了多光子吸收效应致使损耗增大的不利影响，能够实现低阈值、大带宽、超高重频、低噪声的中红外孤子态光频梳，其中泵浦阈值≤18mW，光谱带宽≥3000nm，重频≥150GHz，重频比传统方法提升约2-3个量级。
2、本发明仅需缓慢调谐泵浦光源的输出波长，通过控制微腔加载电压或电流实现稳定的中红外孤子态光频梳产生，解决了其他方法依赖高性能快速扫频光源以及调谐过程复杂的问题，操作方法简单，易于实现。
3、本发明采用锗作为微环谐振腔的材料，可实现高集成、低阈值的超高重频中红外光频梳，相比于硅材料，其在2-10μm波段范围其线性损耗和非线性损耗均较低，同时具备极高的三阶非线性效应，可满足低阈值、高转换效率与超宽带等要求。
4、本发明非线性系数高、阈值低，有效提升了中红外光频梳系统的效率。
5、本发明系统结构简单，方便实用，易于集成，低成本，且具有宽带宽、低噪声、高可靠性等特点。
附图说明
图1为本发明实施例中的系统结构示意图；
图2为本发明实施例中锗微环谐振腔结构示意图；
图3a为未控制电极加载电压时的调制不稳定状态光谱结果图；
图3b为升高电极加载电压时产生的不稳定中红外光频梳结果图；
图3c为降低电极加载电压后产生的低噪声孤子态光频梳结果图；
图中附图标记为：1-中红外窄线宽可调谐连续激光源，2-显微物镜，3-微环谐振腔单元，31-微环谐振腔，32-硅材料衬底，33-P型掺杂区，34-N型掺杂区，35-金属电极，4-准直透镜，5-光谱分析仪，6-波形发生器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本实施例提供了一种基于微腔的中红外孤子态光频梳产生系统，包括用于提供泵浦激光的泵浦光源单元，用于发生非线性四波混频过程的微环谐振腔单元，用于调控微环谐振腔单元中自由载流子寿命的多光子吸收效应控制单元，用于监测微环谐振腔单元输出的波形检测设备。本实施例所用的波形检测设备为光谱分析仪，从图中可以看出，微环谐振腔单元的输出通过准直透镜4进入光谱分析仪5中。在其他实施例中也可以采用高频光电探测器与宽带示波器等时域分析设备，但是本系统不依赖此类设备，因此在其他实施例中可以不采用该类设备，直接通过光波的光谱形状特征判断微环谐振腔单元的输出。
如图1所示，本实施例中泵浦光源单元包括依次连接的中红外窄线宽可调谐连续激光源1以及显微物镜2。结合图2，本实施例中微环谐振腔单元3包括锗材料波导构成的微环谐振腔31，用于局限光场的硅材料衬底32，用于加载电压的P型掺杂区33及N型掺杂区34，以及用于连接多光子吸收效应控制单元的金属电极35；其他实施例中也可以采用其他形式的衬底材料，只要折射率小于锗材料即可。也可以采用其他材料的微环谐振腔，只要在具备多光子吸收效应即可，如常规的硅材料。多光子吸收效应控制单元为波形发生器6，其输出端与微环谐振腔单元3中的金属电极35连接。波形发生器6的输出可以为电压也可以为电流，在其他实施例中也可以采用其他具有可快速调谐功能的电流或电压源作为多光子吸收效应控制单元，输出稳态的电压或电流。
具体可通过下述过程产生中红外孤子态光频梳：
1】、调节中红外窄线宽可调谐连续激光源1，使得激光源出射的泵浦激光波长强度及偏振满足发生四波混频的强度条件及相位匹配条件；调节显微物镜2，将泵浦激光模场尺寸压缩至最小，入射到微环谐振腔单元3中发生四波混频过程。
2】、调节中红外窄线宽可调谐连续激光源1的出射波长，使其中心波长首先接近且小于微环谐振腔31的谐振波长，然后缓慢调节中红外窄线宽可调谐连续激光源1，使其出射波长接近且大于微环谐振腔31的谐振波长，在具体调节时，可将泵浦激光的中心波长从微环谐振腔透射谱的峰值处，缓慢增大至接近微环谐振腔透射谱的半峰值强度处，此时，光谱分析仪的显示如图3a所示；之后，调节波形发生器6的输出电压或电流，使得微环谐振腔单元中金属电极35的加载电压为高电压水平，一般为10V-20V，降低微环谐振腔31内自由载流子密度，抑制多光子吸收效应，实现中红外波段多条光频梳齿开始产生；此时，光谱分析仪的显示如图3b所示。
3】、保持中红外窄线宽可调谐连续激光源1中心波长不变，降低波形发生器6的输出电压，一般需要降低至原电压水平的一半以上，如降低到0-5V，增强腔内自由载流子密度与多光子吸收效应，实现中红外孤子态微腔光频梳产生，此时，光谱分析仪的显示如图3c所示。
本发明工作原理是：
首先将窄线宽可调谐连续激光1经功率放大后作为微环谐振腔的泵浦光；利用显微物镜2调节泵浦激光模场尺寸使其压缩至最小之后入射到微环谐振腔31中，调节窄线宽可调谐连续激光1的出射波长，使其中心波长首先接近且小于微环谐振腔31的谐振波长，然后缓慢增大至接近且大于微环谐振腔31的谐振波长(参见图3a未控制电极加载电压时的调制不稳定状态光谱结果图)；此时升高波形发生器6的输出电压或电流，实现中红外波段多条光频梳齿开始产生(参见图3b为升高电极加载电压时产生的不稳定中红外光频梳结果图)；然后通过降低波形发生器6的输出电压或电流，增强腔内自由载流子密度与多光子吸收效应，实现低噪声宽带中红外光频梳产生(参见图3c为降低电极加载电压后产生的低噪声孤子态光频梳结果图)。
参见图3a、图3b及图3c，通过调控多光子吸收效应实现中红外孤子态光频梳产生结果。本发明利用IV族材料微腔中多光子吸收效应进行调控的方法，通过调节微腔的加载电压控制产生的自由载流子密度建立腔内光场动态平衡，解决了中红外微腔光频梳孤子态产生难题，实现低噪声、超宽带的中红外孤子态光频梳，光谱为光滑的双曲正割型，带宽≥3000nm超过一倍频程。本发明采用具有极强非线性效应的锗微腔，可实现高集成、低阈值的超高重频中红外光频梳，泵浦阈值为18mW，重复频率≥150GHz。本方法仅需缓慢调谐泵浦波长实现孤子态光频梳，无需高性能快速扫频泵浦源，具有结构简单、经济实用、可靠性强的优点。本方法具备通用性，可适用于中红外波段具备多光子吸收效应的硅与锗等多种材料。

Claims (10)

1.一种基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：包括泵浦光源单元、微环谐振腔单元与多光子吸收效应控制单元；
所述泵浦光源单元用于提供泵浦激光；
所述微环谐振腔单元用于接收泵浦激光，发生非线性四波混频过程，产生中红外波段宽带光频梳；
所述多光子吸收效应控制单元用于通过调节微环谐振腔单元中的自由载流子密度控制多光子吸收效应，使得微环谐振腔单元输出中红外孤子态光频梳。
2.根据权利要求1所述的基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：
所述泵浦光源单元包括中红外窄线宽可调谐连续激光源(1)和显微物镜(2)；
所述中红外窄线宽可调谐连续激光源(1)用于出射泵浦激光；所述显微物镜(2)用于压缩泵浦激光模场尺寸后输入至微环谐振腔单元。
3.根据权利要求1或2所述的基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：所述微环谐振腔单元(3)包括微环谐振腔(31)和金属电极(35)；所述微环谐振腔(31)两侧设P型掺杂区(33)与N型掺杂区(34)，所述金属电极(35)与P型掺杂区(33)及N型掺杂区(34)连接。
4.根据权利要求3所述的基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：所述微环谐振腔(31)的材料为锗。
5.根据权利要求4所述的基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：所述多光子吸收效应控制单元为波形发生器(6)，所述波形发生器(6)与微环谐振腔单元中的金属电极(35)连接。
6.根据权利要求5所述的基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：还包括波形监测设备，用于监测微环谐振腔单元输出的光谱波形。
7.根据权利要求6所述的基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统，其特征在于：所述波形监测设备为光谱分析仪(5)。
8.一种利用基于多光子吸收效应调控的中红外光频梳产生系统实现中红外光频梳产生的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、调节中红外窄线宽可调谐连续激光源出射泵浦激光，使得泵浦激光的强度及偏振满足发生四波混频的强度条件及相位匹配条件；
步骤二、通过显微物镜将泵浦激光模场尺寸进行压缩，入射到微环谐振腔单元中发生四波混频过程；
步骤三、调谐泵浦激光的出射波长，使得泵浦激光的中心波长略大于微环谐振腔单元的谐振波长；同时调节多光子吸收效应控制单元的输出，降低微环谐振腔单元中的自由载流子密度，抑制多光子吸收效应，开始产生中红外波段多条光频梳梳齿；
步骤四、保持泵浦激光中心波长不变，再次调节多光子吸收效应控制单元的输出，增强微环谐振腔单元腔内自由载流子密度与多光子吸收效应，实现稳定的宽带中红外孤子态光频梳产生。
9.根据权利要求8所述的产生中红外光频梳的方法，其特征在于：步骤三中，多光子吸收效应控制单元为波形发生器，通过增大波形发生器的输出电压或电流，降低微环谐振腔单元中的自由载流子密度，抑制多光子吸收效应。
10.根据权利要求9所述的产生中红外光频梳的方法，其特征在于：步骤四中，通过降低波形发生器的输出电压或电流，增强微环谐振腔单元中的自由载流子密度与多光子吸收效应。
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