CN112217090B - 基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统与方法，解决传统光频梳重频稳定系统构建与操作复杂、微腔光频梳受高阶色散与非线性效应影响导致脉冲时域漂移、重复频率不稳定等问题。系统包括泵浦单元，啁啾调制单元，集成微腔单元，光谱分析单元及时域分析单元。方法包括：调节泵浦单元出射的连续泵浦激光；集成微腔单元接收连续泵浦激光，自动产生孤子光频梳；利用光谱分析单元观测产生的孤子光频梳光谱信息，优化泵浦单元输出的连续泵浦激光功率；通过啁啾调制单元对连续泵浦激光的相位进行调制，利用时域分析单元观察孤子光频梳的时域位置，实现重频稳定的光频梳产生。可广泛适用于不同波段、不同类型的光源以及不同材料、尺寸的微腔。

Description

基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统与方法
技术领域
本发明涉及一种光频梳产生系统与方法，尤其涉及一种基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统与方法。
背景技术
作为一项超快光学领域的革命性技术，由离散、等间隔且具有固定相位关系的频率成分所组成的光学频率梳(简称光频梳)，在众多基础科学与工程技术领域均具有广泛的科研与应用价值。其代表性应用包括光学原子钟、任意波形产生、光信息存储、超快孤子产生、线性量子计算、量子纠缠源制备与生化分子检测等，范围覆盖了精密测量、生物医学、计算机科学以及光网络通信等诸多领域。其中高重复频率(重频)、宽光谱的光频梳所具备的独特性能优势，在天文摄谱仪校准、脉冲整形以及太比特量级相干光通信等方面意义尤其重大。
传统光频梳大多由锁模激光器产生，受振荡器最短腔长的限制(一般为厘米至数米量级)，其重频一般小于10GHz；而受材料色散的制约其直接产生带宽较窄(通常为数十至百纳米水平)，因此需引入额外的非线性频率扩展单元，导致系统结构复杂且体积较为庞大。随着光子集成技术飞速发展，利用微纳尺度的微环谐振腔(简称微腔)可有效解决高重频光频梳产生难题。高品质因数微腔可极大提升光场能量密度、增强光与物质相互作用时间，从而大幅降低非线性效应产生阈值并提升频率转换效率，同时满足低功耗与高集成等需求。然而由于微腔制备材料的内禀属性以及加工工艺误差，腔内锁模孤子脉冲将不可避免的受到高阶色散与自陡峭等多种复杂效应的影响，导致其发生时域漂移，无法稳定传输并引起重频的缓慢变化，最终严重影响了频域梳齿间隔及时域绝对稳定性。虽可采用f-2f自参考方法实现稳频锁相，但该方案严格要求频梳带宽超一倍频程，因此必须额外构建光谱展宽与非线性倍频系统，并需进行复杂的零频提取、鉴相与电学反馈控制，导致系统体积结构笨重、造价高昂，不适宜规模化量产；而且对操作人员的专业性要求极高，日常使用和维护中面临诸多不便。以上问题严重限制影响了光频梳的现实应用与未来发展。如何简便、有效的实现超高重频且稳定的光频梳，成为了亟待解决的关键难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、便于操作、简单实用、造价便宜、通用性强的基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统与方法，解决传统光频梳重频稳定系统构建与操作复杂，以及微腔光频梳受高阶色散与非线性效应影响导致脉冲时域漂移、重复频率不稳定等问题。
利用腔长为百微米至毫米量级的集成微腔，可突破传统光频梳技术重频极限，促进测量速度、精度和带宽等关键参数性能的飞跃并在众多实际场景中发挥重要作用。然而，微腔中锁模孤子光频梳的产生主要依靠色散与非线性效应的平衡；除基本的二阶色散与非线性四波混频过程之外，微腔材料天然具备的高阶色散(三阶为主)和面临的自陡峭等非线性效应，均会对孤子光频梳的光谱形态和时域位置产生较大影响。此外，不完美的加工制备过程也会引入额外应力和非对称的波导结构，从而造成多种模式耦合并加剧孤子光频梳时域位置漂移，导致其重频更加不稳定。
本发明通过对微腔光频梳的泵浦方式加以控制，采用啁啾泵浦并控制其调制深度与相位的方式，平衡和抑制由于材料及工艺等因素引入的高阶色散及自陡峭等非线性效应导致的孤子脉冲时域漂移，从而实现无漂移的重频稳定光频梳产生。本发明可突破现有稳频技术瓶颈，提供简便、有效、实用的新方案，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啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括泵浦单元、啁啾调制单元、集成微腔单元、光谱分析单元及时域分析单元；
上述泵浦单元用于提供连续泵浦激光；
上述啁啾调制单元用于对连续泵浦激光进行啁啾相位调制，抑制弧子光频梳的时域漂移；
上述集成微腔单元用于接收经啁啾调制单元调制后的连续泵浦激光，发生非线性四波混频过程，产生稳定的孤子光频梳；
上述光谱分析单元用于分析测量孤子光频梳的光谱信息；
上述时域分析单元用于分析测量孤子光频梳的时域位置信息。
进一步地，为了满足光频梳产生阈值功率、频率谐振与相位匹配条件，上述泵浦单元包括依次连接的窄线宽可调谐连续激光源、功率放大器和偏振控制器；上述窄线宽可调谐连续激光源用于出射连续泵浦激光，调节窄线宽可调谐连续激光源，使得连续泵浦激光的波长与集成微腔单元的谐振波长保持一致；上述功率放大器用于放大连续泵浦激光的强度，使得连续泵浦激光的功率强度满足集成微腔单元中发生非线性四波混频过程的功率阈值；上述偏振控制器用于调节连续泵浦激光的偏振态，使连续泵浦激光偏振方向满足集成微腔单元中发生非线性四波混频过程的相位匹配条件，即使得连续泵浦激光的偏振态与集成微腔可支持的光场偏振态相同。
进一步地，为了对泵浦激光进行啁啾相位调制，上述啁啾调制单元包括电光相位调制器和射频信号发生器；
上述电光相位调制器的两个输入端分别与偏振控制器的输出端及射频信号发生器的输出端连接，上述电光相位调制器的输出端与集成微腔单元的输入端连接；
上述电光相位调制器用于将啁啾调制信号加载到泵浦单元提供的连续泵浦激光上；上述射频信号发生器用于产生啁啾调制信号以驱动电光相位调制器。
进一步地，为了实现微腔光频梳产生并测量其时域和频域特性，上述集成微腔单元包括相互连接的微环谐振腔与分束器；微环谐振腔的输入端与电光相位调制器的输出端连接，分束器的两个输出端分别与光谱分析单元及时域分析单元连接；上述微环谐振腔用于接收经啁啾调制单元调制后的连续泵浦激光，发生非线性四波混频过程，产生孤子光频梳；上述分束器用于将产生的孤子光频梳分为两束，分别输入至光谱分析单元与时域分析单元进行测试分析。
进一步地，为了将光频梳低损耗地分为两束，上述分束器为波导分束器，微环谐振腔与波导分束器集成在同一个芯片上。
进一步地，上述光谱分析单元为光谱仪；上述光谱仪的输入端与波导分束器的一个输出端连接。
进一步地，上述时域分析单元包括依次连接的光电探测器和示波器；上述光电探测器用于光电信号转换，其输入端与波导分束器的另一个输出端连接；上述示波器用于分析测量孤子光频梳的时域波形。
本发明还提供一种基于上述系统实现重复频率稳定的微腔光频梳产生方法，包括以下步骤：
步骤一、调节泵浦单元出射的连续泵浦激光，使得连续泵浦激光的功率强度、中心频率及偏振方向满足集成微腔单元中发生非线性四波混频过程的功率阈值、谐振频率及相位匹配条件；
步骤二、关闭啁啾调制单元的啁啾调制信号，仅保持光路连通，集成微腔单元接收未经啁啾调制单元调制的连续泵浦激光，发生非线性四波混频过程实现非线性频率转换，自动产生孤子光频梳；
步骤三、利用光谱分析单元观测产生的孤子光频梳光谱信息，并微调泵浦单元输出的连续泵浦激光功率，当光谱包络稳定且带宽达最大时表明已经产生了宽带光频梳，此后维持此连续泵浦激光功率不变；
步骤四、开启啾调制单元的啁啾调制信号，通过啁啾调制单元对连续泵浦激光的相位进行啁啾调制；同时利用时域分析单元观察孤子光频梳的时域位置，当其不再发生改变时，即表明已经有效抑制了高阶色散及自陡峭等非线性效应导致的孤子光频梳时域漂移，实现了重频稳定的光频梳产生。
进一步地，步骤一具体为：
首先调谐功率放大器的输出功率，使其超过集成微腔单元中发生非线性四波混频过程的阈值强度；然后缓慢增大窄线宽可调谐连续激光源的输出波长，使其与集成微腔单元发生非线性四波混频过程的谐振波长保持一致；再调节偏振控制器，使得连续泵浦激光的偏振态与集成微腔发生非线性四波混频过程可支持的光场偏振态相同。
进一步地，步骤四具体为：
步骤4.1、调节射频信号发生器的工作频率与输出波形，使其产生电调制信号的频率精确等于微腔本征重复频率，波形为余弦曲线；然后通过电光相位调制器对连续泵浦激光施加啁啾调制，实现模式锁定的孤子光频梳；
步骤4.2、利用示波器观察所孤子光频梳的时域位置，并通过调节射频信号发生器的输出幅值与时间延迟，改变电光相位调制器的调制深度和相位啁啾；当孤子光频梳时域位置不再变化时，即表明已经实现了重频稳定的光频梳产生。
本发明的优点是：
1、本发明采用一种啁啾泵浦的方法实现重频稳定光频梳的产生，突破了传统稳频方案光谱带宽要求高、系统构建与操作复杂等限制，结构紧凑且操作简便，具有广泛的应用价值。
2、本发明利用集成微腔实现重频稳定光频梳产生，发挥了微纳集成器件强光场束缚能力与小物理尺寸优势，具有泵浦阈值低、重复频率高、光谱带宽大的特点，最高重频>40GHz、功率阈值<10mW；泵浦功率60mW时光谱带宽>700nm。
3、本发明基于啁啾泵浦原理并采用控制调制深度与相位的方法，能够平衡高阶色散及自陡峭等效应引起的孤子脉冲时域漂移，解决微腔光频梳所普遍面临的因材料及工艺等导致重频不稳定的共性问题，产生时域位置稳定、间距严格相等的高重频光频梳。
4、本发明通过电光相位调制器对连续泵浦激光进行啁啾相位调制，实现重频稳定光频梳，属于外调制类型，能主动控制且具有灵活调谐能力，可广泛适用于不同波段、不同类型的光源以及不同材料、尺寸的微腔，具有良好的通用性与普适性。
5、本发明具有可多器件集成的优势，方便实用、成本低廉，易于推广，能够满足高性能光频梳现实应用与未来发展需求。
附图说明
图1为本发明基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统示意图；
图2为受三阶色散及自陡峭效应影响，未开启啁啾泵浦的孤子光频梳时域位置漂移结果。图中：a为初始t＝0时刻的初始时域位置，b为t＝6.25μs时刻漂移后时域位置(对应腔内循环25万圈)；
图3a为仅存在三阶色散影响时，开启啁啾泵浦调制产生的重频稳定光频梳结果；图中：a1为不同时刻的时域位置(t＝7.5μs和10μs，对应腔内循环30和40万圈)，a2为对应的频域光谱；
图3b为仅存在自陡峭效应影响时，开启啁啾泵浦调制产生的重频稳定光频梳结果；图中：b1为不同时刻的时域位置(t＝7.5μs和10μs，对应腔内循环30和40万圈)，b2为对应的频域光谱；
图4为同时存在三阶色散与自陡峭效应影响时，开启啁啾泵浦调制产生的重频稳定光频梳时域结果。图中：a为t＝7.5μs时刻的时域位置(对应腔内循环30万圈)，b为t＝10μs时刻的时域位置(对应腔内循环40万圈)。
图中附图标记为：1-窄线宽可调谐连续激光源，2-功率放大器，3-偏振控制器，4-电光相位调制器，5-射频信号发生器，6-微环谐振腔，7-波导分束器，8-光谱仪，9-光电探测器，10-示波器。
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。
参见图1，本实施例基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，包括用于提供连续泵浦激光的泵浦单元，用于对连续泵浦激光进行啁啾相位调制、抑制孤子光频梳时域漂移的啁啾调制单元，用于接收啁啾相位调制后的连续泵浦激光发生非线性四波混频过程、产生孤子光频梳的集成微腔单元，用于分析孤子光频梳光谱信息的光谱分析单元及用于分析孤子光频梳时域位置的时域分析单元。
如图1所示，本实施例中泵浦单元包括依次连接的窄线宽可调谐连续激光源1、功率放大器2以及偏振控制器3；偏振控制器3的输出端与啁啾调制单元的输入端连接。啁啾调制单元包括电光相位调制器4和射频信号发生器5，电光相位调制器4的第一输入端与偏振控制器3的输出端连接，第二输入端与射频信号发生器5的输出端连接，电光相位调制器4的输出端与集成微腔单元的输入端连接。集成微腔单元包括相互连接的微环谐振腔6与波导分束器7，微环谐振腔6的输入端与电光相位调制器4的输出端连接，波导分束器7的两个输出端分别与时域分析单元和光谱分析单元的输入端连接。本发明对微环谐振腔6的制备材料无特殊要求，只要具备较强的非线性光学效应即可。本实施例中采用可与微环谐振腔3集成在同一个芯片上的波导分束器7，其他实施例中也可采用光纤分束器或半透半反镜等其他形式的分束器件，只要能够实现分束功能即可。光谱分析单元为光谱仪8。时域分析单元包括依次连接的光电探测器9和示波器10，其中光电探测器9用于光电信号转换，示波器10用于分析测量时域位置信息。
具体可通过下述过程产生重频稳定的光频梳：
1】、开启窄线宽可调谐连续激光源1使其出射连续泵浦激光，同时调谐功率放大器2的输出功率，使得连续泵浦激光的强度经放大后超过微环谐振腔6发生非线性四波混频过程的阈值；然后缓慢增大窄线宽可调谐连续激光源1的输出波长，使其与微环谐振腔6发生非线性四波混频过程的的谐振波长保持一致；再利用偏振控制器3控制连续泵浦激光的偏振态，使其与微环谐振腔6发生非线性四波混频过程的偏振模式相同；
2】、关闭啁啾调制单元中的射频信号发生器5，仅保持光路连通，使偏振控制器3输出的连续泵浦激光通过电光相位调制器4进入微环谐振腔6，微环谐振腔6此时接收未经啁啾调制单元调制的连续泵浦激光，通过发生非线性四波混频过程实现非线性频率转换，自动产生光频梳；
3】、利用光谱仪8观测产生的光频梳光谱信息，并微调功率放大器2的输出功率，当光谱包络稳定且带宽达最大时表明已经产生了宽带光频梳，此后维持此输出功率不变；
4】、调节射频信号发生器5，使其产生电调制信号的频率精确等于微环谐振腔6的本征重复频率，波形为余弦曲线，此时通过电光相位调制器4对连续泵浦激光施加啁啾调制可实现模式锁定的孤子光频梳；然后利用示波器10观察产生孤子光频梳的时域位置，并通过调节射频信号发生器5的输出幅值与时间延迟改变电光相位调制器4的调制深度和相位啁啾；当孤子光频梳时域位置不再变化时即表明已经实现了重频稳定的光频梳产生。
本发明工作原理是：
首先开启窄线宽可调谐连续激光源1使其出射连续泵浦激光，并经功率放大器2进行强度放大，再缓慢调谐连续泵浦激光的中心波长同时通过偏振控制器3控制其偏振方向，使得连续泵浦激光的功率强度、中心频率及偏振方向满足微环谐振腔发生非线性四波混频过程的功率阈值、频率谐振及相位匹配条件。当射频信号发生器5未开启时，微环谐振腔6接收未经调制的连续泵浦激光，将发生非线性四波混频过程，自动产生光频梳，此时通过光谱仪8进行观察并微调功率放大器2对连续泵浦激光功率进行优化。然后将射频信号发生器5的输出频率设置为等同于微环谐振腔6的本征重复频率、输出波形为余弦曲线，通过电光相位调制器4对连续泵浦激光施加主动相位调制，此时即可实现模式锁定的孤子光频梳；其后利用示波器10分析其时域位置，并再次调节射频信号发生器5的输出幅值与时间延迟、改变调制深度和啁啾相位，当孤子光频梳时域位置不再变化时即表明已经有效抑制了高阶色散及自陡峭等复杂非线性导致的时域漂移，实现了重频稳定光频梳产生。
参见图2，受三阶色散及自陡峭效应影响，未开启啁啾泵浦的孤子光频梳时域位置发生漂移结果；图中：a为初始t＝0时刻初始时域位置；b为t＝6.25μs时刻漂移后时域位置(对应腔内循环25万圈)，表明不采用啁啾泵浦时，光频梳的重频是不稳定的。图3a为仅存在三阶色散影响时，开启啁啾泵浦调制产生的重频稳定光频梳结果，图中：a1为不同时刻的时域位置(t＝7.5μs和10μs，对应腔内循环30和40万圈)，a2为对应的频域光谱；图3b为仅存在自陡峭效应影响时，开启啁啾泵浦调制产生的重频稳定光频梳结果，图中：b1为不同时刻的时域位置(t＝7.5μs和10μs，对应腔内循环30和40万圈)，b2为对应的频域光谱。由图3a和图3b可知，采用啁啾泵浦可以分别针对三阶色散和自陡峭效应导致的漂移进行平衡，实现孤子位置稳定，并决定了不同的光频梳光谱特性。图4为同时存在三阶色散与自陡峭效应影响时，开启啁啾泵浦调制产生的重频稳定光频梳时域结果；图中：a为t＝7.5μs时刻的时域位置(对应腔内循环30万圈)，b为t＝10μs时刻的时域位置(对应腔内循环40万圈)，两者时域位置完全相同。由此可见，通过啁啾泵浦调制的方法可以实现时域无漂移的重频稳定孤子光频梳。
本发明利用对极短腔长(百微米至毫米量级)的集成微腔施加啁啾泵浦调制，并控制其调制频率、波形、深度与相位的方法，能够平衡高阶色散及自陡峭等效应引起的孤子脉冲时域漂移，解决微腔光频梳所普遍面临的因材料及工艺等导致重频不稳定的共性问题，产生时域位置稳定、频域间距相等的重频稳定光频梳。充分发挥了微纳器件强束缚与小尺寸优势，泵浦阈值低、重复频率高、光谱带宽大，最高重频>40GHz、泵浦功率60mW时光谱带宽>700nm；突破了f-2f等传统稳频方案光谱带宽要求高、系统构建与操作复杂等限制，结构紧凑且操作简便；属于主动外调制类型，能广泛适用于不同波段、不同类型的光源以及不同材料、尺寸的微腔，具有良好的通用性与普适性，并支持多器件集成，能够满足高性能光频梳现实应用与未来发展需求。

Claims (6)

1.一种基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，其特征在于：包括泵浦单元、啁啾调制单元、集成微腔单元、光谱分析单元及时域分析单元；
所述泵浦单元用于提供连续泵浦激光；所述泵浦单元包括依次连接的窄线宽可调谐连续激光源(1)、功率放大器(2)和偏振控制器(3)；所述窄线宽可调谐连续激光源(1)用于出射连续泵浦激光；所述功率放大器(2)用于放大连续泵浦激光的强度；所述偏振控制器(3)用于调节连续泵浦激光的偏振态；
所述啁啾调制单元用于对连续泵浦激光进行啁啾相位调制，平衡高阶色散及自陡峭效应引起的孤子脉冲时域漂移；所述啁啾调制单元包括电光相位调制器(4)和射频信号发生器(5)；
所述电光相位调制器(4)的两个输入端分别与偏振控制器(3)的输出端及射频信号发生器(5)的输出端连接，所述电光相位调制器(4)的输出端与集成微腔单元的输入端连接；
所述电光相位调制器(4)用于将啁啾调制信号加载到连续泵浦激光，输入至集成微腔单元；所述射频信号发生器(5)用于产生啁啾调制信号以驱动电光相位调制器(4)；
所述集成微腔单元用于接收经啁啾调制单元调制后的连续泵浦激光，发生非线性四波混频过程，产生稳定的孤子光频梳；
所述光谱分析单元用于分析测量孤子光频梳的光谱信息；
所述时域分析单元用于分析测量孤子光频梳的时域位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，其特征在于：所述集成微腔单元包括相互连接的微环谐振腔(6)与分束器；微环谐振腔(6)的输入端与电光相位调制器(4)的其中一个输出端连接，分束器的两个输出端分别与光谱分析单元及时域分析单元连接；
所述微环谐振腔(6)用于接收经啁啾调制单元调制后的连续泵浦激光发生非线性四波混频过程，产生孤子光频梳，所述分束器用于将产生的孤子光频梳分为两束分别输入至光谱分析单元与时域分析单元进行测试分析。
3.根据权利要求2所述的基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，其特征在于：所述分束器为波导分束器(7)，微环谐振腔(6)与波导分束器(7)集成在同一个芯片上。
4.根据权利要求3所述的基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，其特征在于：所述光谱分析单元为光谱仪(8)。
5.根据权利要求4所述的基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统，其特征在于：所述时域分析单元包括依次连接的光电探测器(9)及示波器(10)；所述光电探测器(9)用于光电信号转换，输入端与波导分束器(7)的一个输出端连接；所述示波器(10)用于分析测量孤子光频梳的时域波形。
6.一种基于权利要求1所述的基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生系统实现重频稳定光频梳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、调节泵浦单元出射的连续泵浦激光，使得连续泵浦激光的功率强度、中心频率及偏振方向满足微环谐振腔(6)中发生非线性四波混频过程的功率阈值、频率谐振及相位匹配条件；具体为：首先调谐功率放大器(2)的输出功率，使其超过微环谐振腔(6)中发生非线性四波混频过程的阈值强度；然后缓慢增大窄线宽可调谐连续激光源(1)的输出波长，使其与微环谐振腔(6)发生非线性四波混频过程的的谐振波长保持一致；再调节偏振控制器(3)，使得连续泵浦激光的偏振态与微环谐振腔(6)发生非线性四波混频过程的光场偏振态相同；
步骤二、关闭啁啾调制单元的啁啾调制信号，仅保持光路连通，集成微腔单元接收未经啁啾调制单元调制的连续泵浦激光，发生非线性四波混频过程实现非线性频率转换，自动产生孤子光频梳；
步骤三、利用光谱分析单元观测产生的孤子光频梳，调节泵浦单元输出的连续泵浦激光输出功率，当光谱包络稳定且带宽达最大时，维持此输出功率不变；
步骤四、开启啾调制单元的啁啾调制信号，通过啁啾调制单元对连续泵浦激光的相位进行调制，平衡高阶色散及自陡峭效应引起的孤子脉冲时域漂移；
同时利用时域分析单元观察产生孤子光频梳的时域位置，直至孤子光频梳的时域位置不再发生改变；步骤4.1、调节射频信号发生器(5)的工作频率与输出波形，使其产生电调制信号的频率等于微环谐振腔(6)本征重复频率，波形为余弦曲线；然后通过电光相位调制器(4)对连续泵浦激光施加啁啾调制，实现模式锁定的孤子光频梳；
步骤4.2、利用示波器(10)观察所孤子光频梳的时域位置，通过调节射频信号发生器(5)的输出幅值与时间延迟，改变电光相位调制器(4)的调制深度和相位啁啾；直至孤子光频梳的时域位置不再变化。
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