CN111897175B - 一种超高重复频率可调谐光频梳产生装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高重复频率可调谐光频梳产生装置与方法，旨在解决现有光频梳系统的重复频率上限受物理腔长制约、难以大范围调谐且系统结构复杂等问题。装置包括泵浦单元，信号调制单元，微环谐振腔光频梳产生单元及滤波单元。方法过程中：首先调节泵浦单元出射泵浦激光功率，通过信号调制单元对泵浦激光进行单边带频率调制；其次，微环谐振腔对调制后的泵浦激光发生参量振荡和级联四波混频，使微环谐振腔产生稳定的重频光频梳；最后利用滤波单元滤除多余的泵浦激光，输出低噪声高重频光频梳。本发明采取泵浦频率单边带调制方法调谐光频梳的重复频率，实现超高重频可调谐光频梳，突破现有方法面临的重复频率和调谐范围的限制，降低系统复杂度。

Description

一种超高重复频率可调谐光频梳产生装置与方法

技术领域

本发明涉及一种光频梳产生装置及方法，尤其涉及一种超高重复频率可调谐光频梳产生装置与方法。

背景技术

光学频率梳(即光频梳)包含有一系列固定间隔的高精度频率谱线，往往具有较大的带宽，自被提出至今近四十年来，已经极大地推动了光谱学、计量学、原子钟、光通信等领域技术的进步。早期光频梳大多通过固体或光纤激光器产生稳定的锁模光脉冲来实现，通常受到激光器重量、体积、功耗等因素的影响，目前仍为实验室级别的高端精密产品，在实际应用中受到了较大的限制。

现代微纳光子集成技术的发展为实现光频梳提供一种新的途径——在高品质因数的微环谐振腔腔内，可通过级联四波混频效应产生光频梳。集成微环谐振腔天然具有极小的物理尺寸和极高的非线性系数，因而与传统光频梳方案相比，其重复频率(简称重频)超数十GHz量级，而所需泵浦阈值需求可降低2-3个数量级，不仅大大减少了光频梳系统的功耗，而且可与其他功能性光学器件以及控制电路芯片等兼容，有望实现系统芯片化集成，推动了光频梳实用化与便携化发展。

实际应用中，人们对于光频梳重频的调谐能力也有着迫切需求，例如在分子光谱检测中需降低重频以提高标称分辨率、增大重频以提升绝对光谱分辨率；通信领域频分复用需增大重频以降低不同信道间串扰等。而可调谐的高重频光频梳可以根据不同需求选择最佳的重频水平，因此具有极其广阔的应用前景。通常可采用调节谐振腔腔长的方法实现重频可调谐的光频梳；然而受现实中物理腔长的影响，光频梳重频无法实现大幅度尤其是数量级的提升或调谐。此外，虽然还可以采用两套脉冲激光系统注入锁定或双光源不同频率泵浦等方式进行光频梳重频倍增，但均面临系统结构复杂、成本较高、操作过程繁琐等诸多问题，现实应用较为受限，制约了光频梳技术进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高重复频率可调谐光频梳产生装置与方法，旨在解决现有光频梳系统的重频上限受物理腔长制约、难以大范围调谐且系统结构复杂等问题，实现光谱范围宽、结构简单、稳定实用的超高重频可调谐光频梳，突破现有技术瓶颈与能力限制，推动高集成高速率光频梳技术与现实应用的发展，具有重大的研究意义和应用价值。

基于单光源泵浦的微环谐振腔光频梳系统具有天然极短的物理腔长、易于集成等优势，而具有电光效应的材料(如铌酸锂、氮化铝、氮化镓、砷化镓等)制备的微环谐振腔，同时具备可快速电光调制、结构简单、便于调谐等特点，可以满足超高重频光频梳产生及调谐能力的需求。

为了解决上述问题，基于上述分析，本发明的技术解决方案是提供超高重复频率可调谐光频梳产生装置，其特殊之处在于：包括泵浦单元、信号调制单元、微环谐振腔光频梳产生单元及滤波单元；

上述泵浦单元用于提供高功率窄线宽泵浦激光；

上述信号调制单元用于对泵浦激光进行单边带频率调制以及调制产生的光频梳的重复频率；

上述微环谐振腔光频梳产生单元包括微环谐振腔、直流电源及温度控制器；上述微环谐振腔用于接收单边带频率调制后的泵浦激光，发生光参量振荡与级联四波混频过程，产生高重频光频梳；上述直流电源用于调节微环谐振腔的谐振波长；上述温度控制器用于控制微环谐振腔的温度；

上述滤波单元用于滤除多余泵浦激光，输出低噪声高重频光频梳。

进一步地，为了同时满足四波混频产生光频梳的谐振频率和功率阈值条件，上述泵浦单元包括依次连接的窄线宽连续激光源和功率放大器；上述窄线宽连续激光源用于出射窄线宽的连续泵浦激光，上述功率放大器用于放大泵浦激光的强度。

进一步地，为了对泵浦激光进行单边带频率调制，上述信号调制单元包括依次连接的移频器以及带阻滤波器；上述移频器的输入端与功率放大器的输出端连接，带阻滤波器的输出端与微环谐振腔的输入端连接；上述移频器用于对泵浦激光进行边带调制，产生两个新的频率成分，并可通过调节移频器的工作电压与频率调制产生的光频梳的重复频率；上述带阻滤波器用于滤除其中一个多余的频率成分，仅保留一个新生频率成分，实现泵浦激光单边带频率调制。

进一步地，为了滤除多余的泵浦激光、降低产生光频梳的噪声，上述滤波单元为窄带陷波滤波器。

本发明还提供一种基于上述的系统实现超高重复频率可调谐微环谐振腔光频梳产生的方法，包括以下步骤：

步骤一、调节泵浦单元出射泵浦激光功率，使得泵浦激光的偏振及强度满足微环谐振腔的谐振条件以及显著发生四波混频的强度条件；

步骤二、通过信号调制单元对泵浦激光进行单边带频率调制，将经过调制后的泵浦激光作为微环谐振腔的泵浦激光；

步骤三、微环谐振腔对入射的泵浦激光发生参量振荡和级联四波混频，通过控制直流电源的电压(或电流)，改变微环谐振腔的谐振波长，逐渐增大微环谐振腔谐振频率与泵浦激光频率之间的差值使光频梳进入锁模状态；同时控制微环谐振腔的工作温度，使微环谐振腔产生稳定的重频光频梳；

步骤四、利用滤波单元滤除多余的泵浦激光，输出低噪声高重频光频梳。

进一步地，步骤二中利用移频器及带阻滤波器实现泵浦激光单边带频率调制。

进一步地，步骤二具体为：

步骤2.1、通过控制移频器施加的工作电压与频率对泵浦激光进行边带调制，除原有泵浦激光频率外可产生两个新的频率成分，通过控制带阻滤波器，滤除掉一个多余的频率成分、仅保留一个新生频率成分，对原有泵浦激光频率实现单边带调制。

步骤2.2、通过控制移频器施加的工作信号频率，使保留的新生频率成分与原有泵浦激光频率的间隔为微环谐振腔自由光谱范围的整数倍。调节新的泵浦激光频率与原有泵浦激光频率的间隔，实现对产生的光频梳重复频率的调谐。

进一步地，步骤三中通过调节直流电源的电压(或电流)控制微环谐振腔的谐振波长，逐渐增大微环谐振腔谐振频率与泵浦激光频率之间的差值直至产生的光频梳具有双曲正割形状的光谱，同时维持微环谐振腔工作温度恒定，实现低噪声锁模态光频梳的稳定产生。

本发明的优点是：

1、本发明采取泵浦频率单边带调制方法调谐光频梳的重复频率，实现超高重频可调谐光频梳，能够突破现有方法面临的重复频率和调谐范围的限制，降低了系统复杂度。

2、本方法实现的超高重复频率光频梳，光谱范围≥700nm，基频重复频率≥210GHz，通过控制调制信号可实现多倍率重频调谐，最高≥2.1THz，与传统方法相比提升约3～4个数量级。

3、本发明采用固定波长单光源泵浦集成微环谐振腔的方案，结构简单、易于集成，并且具有鲁棒性高、稳定性强等特点。

4、本发明采用电光效应调谐微环谐振腔谐振腔长的方法，实现锁模态低噪声光频梳产生，可显著降低其他微环谐振腔光频梳方案对高性能扫频泵浦源的需求，并具有响应速度快、调谐精度高、易于操作等优势。

5、本发明同时适用于近红外、中红外以及可见光波段，具有良好的普适性，对于高集成更高速率光频梳技术发展具有重要意义，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为重复频率为基频211GHz时微环谐振腔光频梳结果图；图a为时域波形，图b为频域光谱；

图3a为重复频率为二倍频422GHz时微环谐振腔光频梳结果图；图a1为时域波形，图a2为频域光谱；

图3b为重复频率为五倍频1.055THz时微环谐振腔光频梳结果图；图b1为时域波形，图b2为频域光谱；

图3c为重复频率为十倍频2.11THz时微环谐振腔光频梳结果图；图c1为时域波形，图c2为频域光谱；

图中附图标记为：1-窄线宽连续激光源，2-功率放大器，3-移频器，4-带阻滤波器，5-微环谐振腔，6-直流电源，7-温度控制器，8-窄带陷波滤波器。

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超高重复频率可调谐光频梳产生装置，包括用于提供高功率泵浦激光的泵浦单元，用于对泵浦激光进行单边带调制的信号调制单元，用于发生光参量振荡和级联四波混频过程的微环谐振腔光频梳产生单元，用于滤除多余泵浦激光的滤波单元。

如图1所示，本实施例中泵浦单元包括依次连接的窄线宽连续激光源1和功率放大器2，功率放大器2的输出端与信号调制单元的输入端连接。信号调制单元包括依次连接的移频器3以及带阻滤波器4，带阻滤波器4的输出端与微环谐振腔光频梳产生单元的输入端连接。移频器3可采用宽带电光调制器或双平行马赫-泽德调制器，其他实施例中也可以采用其他形式的边带调制器件或方案，只要配合带阻滤波器4能够对泵浦激光实现单边带频率调制即可。微环谐振腔光频梳产生单元包括用于发生光参量振荡和级联四波混频效应的微环谐振腔5，用于调节微环谐振腔5谐振波长的直流电源6，以及用于调节微环谐振腔5温度的温度控制器7；

微环谐振腔5的内圈环形电极接地，外圈环形电极与直流电源6的负极连接。本实施例中微环谐振腔5的材料为铌酸锂材料，其他实施例中也可以采用氮化铝、氮化镓、砷化镓、磷化镓等其他材料的微环谐振腔，只要具备电光效应即可。滤波单元为窄带陷波滤波器8，用于滤掉多余的泵浦激光，输出低噪声的微环谐振腔光频梳。

具体可通过下述过程产生超高重复频率可调谐光频梳：

1】、采用窄线宽连续激光源1输出泵浦信号光，利用功率放大器2增大信号光的强度，使得泵浦激光的偏振及强度满足微环谐振腔的谐振条件以及发生级联四波混频的强度条件，将放大后的激光作为信号调制单元的泵浦激光；

2】、利用移频器3对泵浦激光进行边带调制，除原有泵浦频率外产生两个新的频率成分，通过带阻滤波器4滤除其中一个多余的频率成分，仅保留一个新生频率成分，实现单边带频率调制。通过控制移频器3的工作频率，调谐原有泵浦频率与新生频率成分之间的间隔，使其为微环谐振腔5自由光谱范围的整数倍。通过设置不同倍数的频率间隔，可以实现不同重复频率的光频梳产生。

4】、将经过单边带调制的泵浦激光耦合进入微环谐振腔5中，通过控制直流电源6的电压或电流调谐微环谐振腔5的谐振波长，逐渐增大微环谐振腔5谐振频率与泵浦激光频率之间的差值，直至可以产生具有双曲正割形状光谱的锁模态光频梳。同时利用温度控制器7调节微环谐振腔5的温度，抑制热效应的影响使光频梳可以持续稳定产生，再经窄带陷波滤波器8滤波后获得低噪声光频梳输出。

本发明工作原理是：

首先将窄线宽连续激光源1经功率放大器2放大后作为信号调制单元的泵浦激光，经移频器3进行边带调制后，除原有泵浦频率外产生两个新频率成分，利用带阻滤波器4滤除一个多余的频率成分实现单边带调制。将调制后的激光耦合进入具有电光效应的微环谐振腔5中，通过控制直流电源6的电压(或电流)调谐微环谐振腔5的谐振波长，使光频梳进入锁模状态，同时利用温度控制器7调节微环谐振腔5的工作温度，使锁模光频梳可以稳定产生，再经滤波器8滤波后，输出低噪声光频梳。

参见图2、图3a、图3b及图3c，超高重复频率可调谐光频梳产生结果。利用泵浦频率调制的方法可以实现超高重复频率且可调的宽带微环谐振腔光频梳，光谱范围≥700nm，最高重频≥2.1THz。本发明利用窄线宽激光器与功率放大器构建泵浦单元，采用移频器以及带阻滤波器构建信号调制单元，基于微环谐振腔、直流电源以及温度控制器构建微环谐振腔光频梳产生单元，通过控制移频器的工作电压与频率、施加在微环谐振腔上的直流电压或电流等参数，可以实现超高重频且可调的宽带光频梳产生，能够显著降低现有光频梳系统结构与调谐控制复杂度。其重复频率覆盖范围从数百GHz覆盖至THz量级，比传统基于固体或光纤锁模激光器的光频梳系统重复频率提升了约3至4个数量级；而且仅需一套固定波长激光源即可实现重复频率大范围调谐，显著降低了其他微环谐振腔光频梳方案对高性能泵浦源的依赖与系统成本。

Claims (6)

1.一种超高重复频率可调谐光频梳产生装置，其特征在于：包括泵浦单元、信号调制单元、微环谐振腔光频梳产生单元及滤波单元；

所述泵浦单元用于提供泵浦激光，为固定波长激光源；

所述信号调制单元包括依次连接的移频器(3)和带阻滤波器(4)；利用移频器(3)对泵浦激光进行边带调制，除原有泵浦频率外产生两个新的频率成分，通过带阻滤波器(4)滤除其中一个多余的频率成分，仅保留一个新生频率成分，实现单边带频率调制；通过控制移频器(3)的工作频率，调谐原有泵浦频率与新生频率成分之间的间隔，使其为微环谐振腔(5)自由光谱范围的整数倍；通过设置不同倍数的频率间隔，实现不同重复频率的光频梳产生；

所述微环谐振腔光频梳产生单元包括微环谐振腔(5)、直流电源(6)及温度控制器(7)；所述微环谐振腔(5)用于接收单边带频率调制后的泵浦激光，发生光参量振荡与级联四波混频过程，产生高重频光频梳；所述直流电源(6)用于调节微环谐振腔(5)的谐振波长；所述温度控制器(7)用于控制微环谐振腔(5)的温度；

所述滤波单元用于滤掉多余的泵浦激光，输出低噪声高重频光频梳。

2.根据权利要求1所述的超高重复频率可调谐光频梳产生装置，其特征在于：所述泵浦单元包括依次连接的窄线宽连续激光源(1)和功率放大器(2)；

所述窄线宽连续激光源(1)用于出射连续泵浦激光；所述功率放大器(2)用于放大泵浦激光的强度。

3.根据权利要求2所述的超高重复频率可调谐光频梳产生装置，其特征在于：所述滤波单元为窄带陷波滤波器(8)。

4.一种基于权利要求1所述的超高重复频率可调谐光频梳产生装置产生可调谐超高重频微环谐振腔光频梳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、调节泵浦单元的泵浦激光功率，使得泵浦激光的偏振及强度满足微环谐振腔的谐振条件以及发生级联四波混频的强度条件；

步骤二、通过信号调制单元对泵浦激光进行单边带频率调制，将调制后的泵浦激光作为微环谐振腔的泵浦激光；

步骤2.1、控制移频器的工作信号电压与频率，产生两个新的频率成分，再通过控制带阻滤波器，滤除其中一个多余的频率成分，保留一个新生频率成分，实现泵浦激光的单边带频率调制；

步骤2.2、控制移频器的工作信号频率，使新生频率成分与原有泵浦激光频率的间隔为微环谐振腔自由光谱范围的整数倍；

步骤三、利用微环谐振腔使接收到的泵浦激光发生光参量振荡和级联四波混频，控制直流电源的电压或电流，使光频梳进入锁模状态，并调节温度控制器维持恒定的微环谐振腔工作温度，使微环谐振腔产生稳定的重频光频梳；

步骤四、利用滤波单元滤掉多余泵浦激光，输出低噪声高重频光频梳。

5.根据权利要求4所述的产生可调谐超高重复频率微环谐振腔光频梳的方法，其特征在于，步骤二中利用移频器及带阻滤波器实现泵浦激光单边带频率调制。

6.根据权利要求5所述的产生可调谐超高重复频率微环谐振腔光频梳的方法，其特征在于：步骤三中通过调节直流电源(6)的电压或电流控制微环谐振腔(5)的谐振波长，逐渐增大微环谐振腔谐振频率与泵浦激光频率之间的差值直至产生的光频梳具有双曲正割形状的光谱。

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