CN112217089B - 基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳，该器件由二氧化硅微球构成，并使用一段锥形光纤进行耦合。其特征在于，二氧化硅微球由直径为125微米商用单模光纤通过光纤熔接机多次电弧放电得到，其直径约为500微米；而后让微球表面蘸取稀土离子溶液；接下来通过氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径约为600微米的表面掺稀土离子微球谐振腔。锥形光纤耦合用于孤子光频梳激发泵浦激光和用于孤子光频梳调控的控制激光。

Description

基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置
技术领域
本发明涉及一种基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置，具体涉及可调谐孤子频率梳技术领域。
背景技术
自2005年光学频率梳获得诺贝尔物理学奖以来，其前所未有的测量能力为精密测量领域带来了技术革新，包括精密光谱学、原子钟、分子指纹测量。同时在天文学、微波光子学、通信和传感领域也展现出了巨大的应用潜力。到目前为止，基于光频梳的应用大多是采用飞秒激光光频梳实现的，主要是蓝宝石，掺铒掺镱等稀土离子掺杂的光纤锁模激光器。虽然光纤锁模激光器已经发展成了成熟的商用光频梳光源，但是其较大的空间占用及其较低的输出重复频率（<1GHz）限制了进一步的应用。
2007年，一种利用高谐振品质因子(Q)微谐振腔的参量频率转换技术实现光频率梳的新原理被报道。其中等间隔的频率模式是由一个已知频率的连续波泵浦激光器与一个超高Q微谐振器的模式之间的相互作用通过克尔非线性产生的。与飞秒锁模激光器相比，基于高Q微谐振腔的克尔光频梳，实现了芯片级集成，10-1000GHz范围的高重复频率以及微波频率到光频的连接，进一步的扩展了频率梳的应用范围，这项新技术的出现给和基础科学和应用科学带来的新机遇。
孤子光频梳是一个重要的研究方向，基于微腔的孤子频率梳具有GHz量级的重复频率和飞秒级的脉冲宽度，迅速衍生出了诸如大规模并行相干通信，双梳光谱学，雷达，低噪微波信号产生等方面的应用。通常，孤子频率梳是通过平衡腔内非线性和色散、增益和损耗，在图灵态和高噪声态之后出现，通过能量积累和敏感的相位匹配关系逐步演化而来。因此，孤子频率梳一旦被稳定激发，就难以被动态调控。迄今为止，孤子频率梳的动态控制仍然是一个挑战。所以，开展超快克尔孤子频率梳的全光调控具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
针对目前商用的锁模激光频率梳和传统的克尔频率梳器件存在的问题，本发明要解决的技术问题是：发明一种成本低廉、高重复频率、能够实现孤子动态调控的光纤微球腔克尔频率梳，替代价格昂贵、低重复频率、无法动态调控的锁模激光频率梳和传统克尔频率梳。本发明通过在高Q的克尔谐振腔表面掺杂稀土离子，在控制激光的动态调控下实现了高重频稳定超短脉冲的开关输出。
二氧化硅微球，是一种球体结构的回音壁微谐振腔，是目前已知的光学谐振腔中品质因数最高的光学谐振腔，掺杂稀土离子微球回音壁谐振腔，是在微球回音壁谐振腔表面掺杂稀土离子形成的。高品质因子的二氧化硅微球，具有超长的光子寿命和极低克尔非线性激发阈值。此外，微球表面的稀土离子离子吸收控制光子的能量后会跃迁到高能级上，形成粒子数反转，通过受激辐射得到大量的相干光子，补偿了腔的损耗，调节了腔的折射率。优选的，包含至少一个表面掺稀土离子的二氧化硅微球，二氧化硅微球的直径为200-600微米，通过光纤熔接机对单模光纤进行1-3次电弧放电，经蘸取由稀土离子水合物（NdCl3·6H2O或TmCl3·6H2O或YbCl3·6H2O或ErCl3·6H2O）、纯水和酒精混合制成稀土离子溶液后，其中稀土离子水合物重量为3%-4%，纯水重量为20%-30%、酒精重量为70%-80%，采用氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径为200-600微米，腔品质因数大于等于3×108的表面掺稀土离子微球谐振腔。
锥形光纤，其锥区直径与泵浦波长在同一数量级，光以倏逝场形式沿微光纤传播，易于与光学谐振腔发生高效率耦合。
基于上述表面掺铒微球回音壁腔和锥形光纤的特性，本发明采用如下技术方案：
(1)通过商用单模光纤和表面掺杂技术制备微球谐振器；
(2)通过商用单模光纤制备锥形光纤；
(3)利用两个精确的三维平移台，控制微球与锥形光纤的相对位置，实现高效光耦合；
(4)由泵浦光源、控制光源、掺铒光纤放大器、可调滤波器、波分复用器、光纤偏振控制器、环行器、温控模块组成，形成基于光纤链路的光频率梳激发与控制平台。
所采用的表面掺铒二氧化硅微球的直径为600微米，通过保偏光纤熔接机对单模光纤进行3次大功率放电弧放电，经蘸取由氯化铒水合物(ErCl3·6H2O)、纯水、酒精按重量比1.567:12.188:37.2混合制成Er3+离子溶液后，采用氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过保偏光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径为600微米，腔品质因数为3×108的表面掺铒微球谐振腔。
所采用的锥形光纤通过光纤熔融拉锥设备制得，其锥区直径为500nm-2μm，优选锥区直径为1微米，锥区长度约0.5~1厘米，整体长度约2~4厘米。
所采用的锥形光纤垂直于所采用的微球连接光纤并微球赤道耦合，两者的相对位置由两个精确的三维平移台控制。通过调整两者之间的间距，可以实现80%以上的耦合效率；同时整个器件的两端都是采用普通单模光纤跳线接头，可以很方便的直接接入由单模光纤构成的光路。
所采用的光学频率梳激发和控制平台由泵浦光源(1550nm)，控制光源(974nm)，一个掺铒光纤放大器(C波段)，一个可调滤波器，一个980/1550nm波分多路复用器，一个光纤偏振控制器，一个环形器和一个温度控制模块。泵浦光源、掺铒光纤放大器和可调谐滤波器依次连接，再连接到波分复用器的1550nm端口，产生高功率、低噪声泵浦光输出；控制光源的输出直接连接到波分复用器的980nm端口；波分复用器的com端口、光纤偏振控制器、环形器的第一端口依次连接；环形器的第二端口连接到锥形光纤，环形器的第三端口作为信号输出端口，输出信号为微球的反射频率梳信号，具有较少的泵浦光分量；微球固定在温度控制模块上以保持温度稳定。
根据不同的稀土离子掺杂，需要选取对应的光纤放大器，包含掺铒光纤放大器（EDFA）或掺铥光纤放大器（TDFA）或掺镱光纤放大器（YDFA）或掺钕光纤放大器（NDFA）。稀土离子是铒离子（Er3+），控制光频率974nm，泵浦光频率1540nm-1560nm；或所述稀土离子是铥离子（Tm3+），控制光频率1064nm，泵浦光频率1600nm-2000nm；或所述稀土离子是镱离子（Yb3 +），控制光频率974nm，泵浦光频率900nm-1100nm；或所述稀土离子是钕离子（Nd3+），控制光频率808nm，泵浦光频率为900nm-1350nm。
光频梳输出光谱宽度大于等于100nm，梳线间隔为0.08-4nm，重复频率为10-500GHz，脉冲宽度200~400飞秒；光频梳孤子锁模泵浦阈值小于等于40毫瓦，输出功率大于等于1毫瓦，单根线宽小于等于2Hz，信噪比大于等于60dB，相位噪声小于等于-120dBc/Hz @10kHz。
采用全光调控的方式，通过调节控制激光的功率从0到10毫瓦，实现光频梳的开关输出，开关比大于等于98%，开关速率大于等于8MHz，同时保持稳定的输出。
本发明的工作过程为：通过980/1550纳米波分复用器将1550纳米的扫描泵浦光源信号和974纳米的控制光源信号同时耦合到普通二氧化硅单模光纤中并从一侧注入锥形光纤。在微球腔区域，由于谐振腔的回音壁模式，所构成的谐振腔Q值≥3×108，通过三阶克尔非线性效应，经过调制不稳定性和级联四波混频过程，实现光谱展宽。当腔内的增益和损耗、非线性和色散达到平衡时，各纵模之间实现相位锁定，形成孤子脉冲输出。然后，通过调节控制激光的输出功率实现对孤子脉冲输出功率的调控。整个调控过程光谱的形状不变，维持了稳定的孤子态。
与现有技术相比，本发明的优异效果表现在：所发明的器件结合了光学、微纳加工的先进技术，通过廉价且简单的制备工艺获得了品质因数高达3×108的微球谐振腔，实现了单纵模线宽<2Hz，阈值约为40毫瓦的孤子光频梳激发。通过氯化铒溶液的蘸取和烧结工艺，在不影响品质因子的情况下，为微球表面添加了增益介质。利用974纳米的控制激光激励铒离子完成对微球腔的损耗和折射率的控制，实现了对孤子脉冲输出的功率快速开关调控，其速率可达8MHz，突破了现有频率梳器件无法动态调控的难题。本发明器件工作基于全光系统，可以实现片上集成，方便接入现有的光网络，在超高速光通信、超灵敏光传感、超精密分析测量和可调光频梳信源等科学领域有着非常突出的应用潜力。
优选的，所述微腔可以是回音壁模式微球，微盘，微环，微瓶，微柱，微环圈或线性法珀腔。
优选的，所述微腔的材料可以包含：石英（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、铌酸锂（LiNbO3）、氟化钙（CaF2）、氟化镁（MgF2）中的一种、两种或多种组合。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明调控系统图；
图3是操作流程图；
图4是实验孤子光谱和低频噪声谱；
图5为全光调控孤子开关实现结果。
具体实施方式
一种基于表面掺铒回音壁微球腔的可调谐孤子频率梳，主要由一个表面掺铒的二氧化硅微球，一段锥形光纤，一个泵浦光源，一个控制光源，一个掺铒光纤放大器(C波段)，一个可调滤波器，一个980/1550nm波分多路复用器，光纤偏振控制器，一个环形器和温度控制模块组成。微球直径为600微米，其表面掺杂了Er3+；锥形光纤整体长度长为2~4厘米，锥区直径为1微米；泵浦光源波长为1550nm，控制光源波长为974nm，整个光路系统通过单模光纤连接。
实施实例
结合图1所示，微球与锥形光纤通过两个精密的三维位移台进行精确耦合，并通过UV粘合剂固定相对位置，保证耦合状态稳定。其中，对微球(1)进行表面掺铒处理，具体步骤如下:首先，通过光纤熔接机对直径为125微米的商用光纤进行三次电弧放电得到直径为500微米的二氧化硅微球；然后，将微球浸泡在氯化铒水合物(ErCl3·6H2O)、纯水和酒精按重量比为1.567:12.188:37.2混合制备的Er3+离子溶液中；接下来，用氢氧火焰燃烧微球，去除表面的酒精和水；最后，利用光纤熔接机再次放电对微球进行退火，得到直径600微米掺Er3+的微球，品质因子为3×108。其中，锥形光纤(2)通过熔融拉锥法制备。锥区直径为1微米，长度为0.5毫米，整体长度约为3厘米。
结合图2所示，1550 nm扫描泵浦光源(3)，高功率掺铒光纤放大器(5)和可调滤波器(6)依次连接，然后连接到波分多路复用器(7)的1550nm端口，实现200mW的低噪声泵浦光输出；974nm控制光源(4)的输出直接连接到波分复用器(7)的980nm端口；波分复用器(7)的com端口、光纤偏振控制器(8)和环形器(9)的第一端口依次连接；环形器(9)的第二端口连接锥形光纤(2)；微球(1)固定在温度控制模块(10)上，以保持温度稳定，并与锥形光纤(2)耦合；环形器(9)的第三端口作为信号输出端口，获得的微球反射频率梳信号具有更少的泵浦光分量，并与光耦合器(50:50)(11)连接，将信号分为两路；一路连接到光谱仪，用于测量孤子频率梳的光谱，另一路通过光电探测器(12)后连接到示波器或电子频谱分析仪(14)。
结合图3所示，本发明的工作过程如下:1550nm扫描泵浦光源信号和974 nm控制光源信号通过980/1550 nm波分复用器同时耦合到单模光纤中，然后注入锥形光纤。首先，我们关掉控制光源。在微球区，由于谐振腔的“回音壁”模式，谐振腔的Q值高达3×108。通过调制不稳定性和三阶克尔非线性效应引起的级联四波混频过程，实现光谱的展宽。当谐振腔内的增益和损耗、非线性和色散平衡后，实现了各个纵模的相位锁定，形成孤子脉冲输出。然后，我们打开控制光源。通过调节控制光源的输出功率来调节孤子脉冲的输出功率。
结合图4所示，从孤子的光谱和0-1GHz的拍频谱可以看出输出孤子的质量很高。0.8nm的谱线间隔对应100GHz的重复频率，约10nm的3dB光谱带宽对应约300fs的脉冲持续时间。
结合图5所示，在泵浦光源(3)的输出波长和功率不变的情况下，我们打开控制光源(4)，将控制光源的功率设置在0 mW到10 mW之间。一般情况下，当控制光功率为0毫瓦时，孤子输出功率约为1毫瓦；当控制光功率为5毫瓦时，孤子输出功率约为0.5毫瓦，当控制光功率为10毫瓦时，孤子输出功率约为0毫瓦；当控制光的输出功率从10毫瓦降至0毫瓦时，孤子脉冲的输出功率恢复为1毫瓦。通过光电检测器(12)和示波器(14)采集输出孤子功率信息，显示3dB可调带宽为8MHz。在整个调控过程中，光谱形状保持不变，维持了稳定的孤子状态。

Claims (2)

1.一种基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置，其特征在于，由至少一个表面掺稀土离子的微腔，一段锥形光纤，一个1550nm扫描泵浦光源,一个974nm控制光源，一个高功率掺铒光纤放大器,一个可调滤波器,一个波分多路复用器,光纤偏振控制器,一个环形器和温度控制模块组成；所述扫描泵浦光源的输出波长和功率不变，扫描泵浦光源、高功率掺铒光纤放大器和可调滤波器依次连接,然后连接到波分多路复用器的1550nm端口，实现200mW的低噪声泵浦光输出；974nm控制光源的输出直接连接到波分复用器的980nm端口；波分复用器的com端口、光纤偏振控制器和环形器的第一端口依次连接；环形器的第二端口连接锥形光纤；二氧化硅微球固定在温度控制模块上，以保持温度稳定，并与锥形光纤耦合；环形器的第三端口作为信号输出端口，获得的微球反射频率梳信号具有更少的泵浦光分量，并与光耦合器连接，将信号分为两路；一路连接到光谱仪，用于测量孤子频率梳的光谱，另一路通过光电探测器后连接到示波器或电子频谱分析仪，采集输出孤子功率信息；所述表面掺稀土离子的微腔为表面掺稀土离子的二氧化硅微球，二氧化硅微球的直径为500微米，通过保偏光纤熔接机对直径为125微米的单模光纤进行3次大功率放电弧放电得到，经蘸取由氯化铒水合物(ErCl3·6H2O)、纯水、酒精按重量比1.567:12.188:37.2混合制成Er3+离子溶液后，采用氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过保偏光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径为600微米掺Er3+的微球，腔品质因数大于等于3×108的表面掺稀土离子微球谐振腔；锥形光纤由二氧化硅单模光纤通过熔融拉锥方法制备而成，锥区直径为1μm，整体长度为3厘米,与微球赤道贴附耦合用以输入泵浦光、控制光和输出光频梳信号光；所述锥形光纤的锥区直径与泵浦波长在同一数量级，光以倏逝场形式沿微光纤传播；所采用的锥形光纤垂直于所采用的微球连接光纤并微球赤道耦合，两者的相对位置由两个精确的三维平移台控制；选取掺铒光纤放大器(EDFA)；控制光频率974nm，泵浦光频率1550nm；光频梳输出光谱宽度大于等于100nm，梳线间隔为0.8nm，重复频率为10-500GHz，脉冲宽度300飞秒；光频梳孤子锁模泵浦阈值小于等于40毫瓦，输出功率大于等于1毫瓦，单根线宽小于等于2Hz，信噪比大于等于60dB，相位噪声小于等于-120dBc/Hz@10kHz；所述微腔是回音壁模式微球，微腔的材料包含：石英(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、铌酸锂(LiNbO3)、氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2)；所述稀土离子水合物包含:NdCl3·6H2O、TmCl3·6H2O、YbCl3·6H2O、ErCl3·6H2O；所述装置通过调制不稳定性和三阶克尔非线性效应引起的级联四波混频过程，实现光谱的展宽，当谐振腔内的增益和损耗、非线性和色散平衡后，实现了各个纵模的相位锁定，形成孤子脉冲输出。
2.一种权利要求1所述的基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置的调谐方法，其特征在于，第一步，制备表面掺杂稀土离子的微腔结构和锥形光纤；第二步，搭建实验装置和连接光路，1550nm扫描泵浦光源、高功率掺铒光纤放大器和可调滤波器依次连接,然后连接到波分多路复用器的1550nm端口，实现200mW的低噪声泵浦光输出；974nm控制光源的输出直接连接到波分复用器的980nm端口；波分复用器的com端口、光纤偏振控制器和环形器的第一端口依次连接；环形器的第二端口连接锥形光纤；微球固定在温度控制模块上，以保持温度稳定，并与锥形光纤耦合；环形器的第三端口作为信号输出端口，获得的微球反射频率梳信号具有更少的泵浦光分量，并与50:50的光耦合器连接，将信号分为两路；一路连接到光谱仪，用于测量孤子频率梳的光谱，另一路通过光电探测器后连接到示波器或电子频谱分析仪；第三步，关闭控制光源，通过扫频获得孤子光频梳输出，首先，我们关掉控制光源；在微球区，由于谐振腔的“回音壁”模式，谐振腔的Q值高达3×108；通过调制不稳定性和三阶克尔非线性效应引起的级联四波混频过程，实现光谱的展宽；当谐振腔内的增益和损耗、非线性和色散平衡后，实现了各个纵模的相位锁定，形成孤子脉冲输出；第四步，打开控制光源，采用全光调控的方式，通过调节控制激光的功率从0到10毫瓦，实现光频梳的开关输出，开关比大于等于98％，开关速率大于等于8MHz，同时保持稳定的输出，通过调节控制光源的功率实现对孤子光频梳输出功率的调节。
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