CN112670811B - 一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法，该系统包括：光信号调制系统、光纤环谐振腔以及双光频梳分离系统；光信号调制系统包括连续光激光器、第一偏振控制器、第一偏振分束器、第一/第二波形发生器和偏振合束器；光纤环谐振腔包括直波导、光信号输入端/输出端、耦合器和光纤环；双光频梳分离系统包括第二偏振分束器、第一/第二带通滤波器和第二偏振控制器。本发明的有益效果是：使用单个光纤环谐振腔产生双光频梳，且所产生的双频梳重频差较低，同时，系统结构简单，成本较低。

Description

一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法

技术领域

本发明涉及光频梳产生系统领域，尤其涉及一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法。

背景技术

光学频率梳在时域上具有连续的超短激光脉冲序列，在频域上表现为频率间隔严格相等的频率梳齿。由于光电探测器的响应带宽受限(目前在GHz水平)，高达THz的光频信号无法被光电探测器直接响应。而双光频梳测量方式解决了这一问题，它能够以确定的转换关系将光频频率携带的测量信号下转换到射频频率上，使待测信息能够通过光电探测器直接探测后再快速还原出来，在原子分子光谱分析、表面形貌分析、微波光子学等领域的应用前景十分广泛。

在双光频梳系统设计中，光频梳齿的光谱范围Δv、重复频率差Δf_rep、重复频率f_rep应满足Δv·Δf_rep/f_rep≤f_rep/2。在实际测量过程中双光频梳的重复频率差Δf_rep对应于射频梳测量的刷新频率，对于确定了重复频率和光谱范围的双光频梳而言，最大的刷新频率为Δf_rep≤f² _rep/2Δv，而从光频域到射频域光谱的转换因子为Δf_rep/f_rep。利用这个两个公式，对具有100THz光谱范围、100MHz重复频率的光学频率梳而言，通过设置50Hz的重复频率差，可以将100THz的光频范围转到50MHz的射频范围上，进行刷新频率为50Hz的直接探测，测量效率相比于传统的光学测量方法提升了好几个数量级。

近年来新兴的微环谐振腔可以产生较高重频的光频梳，虽然可以达到数十GHz的重复频率，但由于所需工艺水平较高，生产成本昂贵。而基于锁模激光器产生的光频梳重复频率可以达到几MHz到数十MHz，可以满足基本的测量和传感检测需求，但是所需光纤放大器、增益光纤等使得系统整体成本较高且系统复杂性大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法。

一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统，包括：光信号调制系统、光纤环谐振腔以及双光频梳分离系统，且所述光信号调制系统、光纤环谐振腔和双光频梳分离系统之间均通过保偏光纤相连接；

所述光信号调制系统包括通过保偏光纤相连接的连续光激光器、第一偏振控制器、第一偏振分束器、第一波形发生器、第二波形发生器和偏振合束器；

所述光纤环谐振腔包括耦合器与通过所述耦合器相连接的直波导和光纤环；

所述双光频梳分离系统包括通过保偏光纤相连接的第二偏振分束器、第一带通滤波器、第二带通滤波器和第二偏振控制器；

进一步地，所述光纤谐振腔为具有双端口的非线性光纤环谐振腔，所述双端口分别为光信号输入端和光信号输出端；

进一步地，所述光信号调制系统中，连续光激光器的输出端与第一偏振控制器的输入端相连，第一偏振控制器的输出端与第一偏振分束器的输入端相连，第一偏振分束器的第一输出端与第一波形发生器的输入端相连，第一偏振分束器的第二输出端与第二波形发生器的输入端相连，第一波形发生器的输出端与偏振合束器的第一输入端相连，第二波形发生器的输出端与偏振合束器的第二输入端相连，偏振合束器的输出端通过保偏光纤与光纤环谐振腔的光信号输入端相连；

进一步地，所述光纤环谐振腔中，光纤环谐振腔的光信号输入端通过保偏光纤与偏振合束器的输出端相连，光信号输出端通过保偏光纤与第二偏振分束器的输入端相连；

进一步地，所述的光纤环包括环内第一段光纤和环内第二段光纤，所述环内第一段光纤的两端分别为node_1端口和node_4端口，所述环内第二段光纤的两端为node_2端口和node_3端口，所述环内第一段光纤和环内第二段光纤分别在node_1端口、node_2端口和node_3端口、node_4端口旋转90度熔接；

所述环内第一段光纤和环内第二段光纤中均有u和v两种传输模式，当光信号从node_1端口进入node_2端口或从node_3端口进入node_4端口时，原本在u中传输的光信号的偏振态进入v中传输，原本在v中传输的光信号的偏振态进入u中传输；

其中，u和v分别代表慢轴和快轴，所述光信号有两个偏振态，当所述光信号在环内第一段光纤或环内第二段光纤中传输时，光信号的一个偏振态在u中传输，另一个偏振态在v中传输；

进一步地，所述连续光激光器的波长为1550nm；

所述第一偏振控制器是机械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器；

所述第一波形发生器和第二波形发生器均为波形发生器；

所述第一带通滤波器和第二带通滤波器均为窄带带通可调光学滤波器或者为波长选择开关；

所述的第二偏振控制器是机械式偏振控制器或者是基于玻片的偏振控制器或者是90度法拉第偏振旋转器；

进一步地，所述双光频梳分离系统中，偏振分束器的输入端与光信号输出端相连，偏振分束器的第一输出端与第一带通滤波器的输入端相连，偏振分束器的第二输出端与第二带通滤波器的输入端相连，第一带通滤波器的输出端与第二偏振控制器的输入端相连；

一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生方法，基于如上所述的一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统实现，该双光频梳产生方法的具体实现过程为：

开启连续光激光器，设置所述连续激光器的波长为1550nm，产生连续光信号，该连续光信号通过第一偏振控制器调节分光比，形成具有两个相互正交偏振态的光信号，即TE模式光信号和TM模式光信号，所述两个相互正交偏振态的光信号通过第一偏振分束器后，TE模式光信号进入第一波形发生器，TM模式光信号进入第二波形发生器，TE模式光信号和TM模式光信号调制完成后通过偏振合束器形成调制偏振光信号，该调制偏振光信号通过光纤环谐振腔的光信号输入端进入直波导，再通过耦合器进入光纤环，利用光纤结构和光纤环结构的不完全对称性，产生两个重复频率不同、强度相同的光频梳，并通过光纤环谐振腔的光信号输出端输出形成双光频梳的偏振光信号，该形成双光频梳的偏振光信号通过第二偏振分束器分离成两路光信号，即两套光频梳后，调节第一带通滤波器和第二带通滤波器的中心波长和带宽，提升两套光频梳的信噪比，调节第二偏振控制器使光纤环谐振腔输出的两个光频梳具有同向的偏振态。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：使用单个光纤环谐振腔产生双光频梳，且所产生的双频梳重频差较低，同时，系统结构简单，成本较低，具体体现在以下：

1、利用两个正交偏振模式在光纤中传播速度不一致的特性，通过不完全对称的光纤环结构可以产生两个重复频率不同的光频梳，相互正交的偏振双光频梳有利于实现光频梳的分离和操控。这种在单一光纤环谐振腔中产生双光频梳的技术方案，具有结构简单，易于操控等优点；

2、设计了一种不完全对称的光纤环结构，通过环内两段光纤旋转90度熔接，使原本在快轴传输的光信号进入慢轴、原本在慢轴中传播的光信号进入快轴，可以避免环程累积过大的正交偏振光信号间群速度差值，使得两个光频梳的环程时间差较小，即产生的双光频梳自由光谱范围(重复频率)差值较小；

3、系统中的光纤环谐振腔由保偏光纤和耦合器组成，结构简单、便于制作，且不需要用到锁模激光器产生双光梳方式中的光纤放大器、增益光纤等，成本较为低廉，便于应用于精密测量和传感检测，具有较高的性价比。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中采用的不完全对称光纤环结构示意图；

图3是本发明实施例中光纤环中偏振光经历100圈环程的时域波形；

图4是本发明实施例中偏振光经历100圈环程后光频梳1和光频梳2的频谱图；

其中：1-光信号调制系统、11-连续光激光器、12-第一偏振控制器、13-第一偏振分束器、14-第一波形发生器、15-第二波形发生器、16-偏振合束器、17-保偏光纤；

2-光纤环谐振腔、21-光信号输入端、22-直波导、23-光纤环、231-环内第一段光纤、232-node_1端口、233-node_2端口、234-环内第二段光纤、235-node_3端口、236-node_4端口、24-耦合器、25-光信号输出端；

3-双光频梳分离系统、31-第二偏振分束器、32-第一带通滤波器、33-第二带通滤波器、34-第二偏振控制器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统的结构示意图，该双光频梳产生系统包括：光信号调制系统1、光纤环谐振腔2和双光频梳分离系统3三个部分；

光信号调制系统1包括通过保偏光纤17相连接的连续光激光器11、第一偏振控制器12、第一偏振分束器13、第一波形发生器14、第二波形发生器15和偏振合束器16，在具体的实施过程中需要按照图中顺序依次进行连接，即连续光激光器11的输出端与第一偏振控制器12的输入端相连，第一偏振控制器12的输出端与第一偏振分束器13的输入端相连，第一偏振分束器13的第一输出端与第一波形发生器14的输入端相连，第一偏振分束器13的第二输出端与第二波形发生器15的输入端相连，第一波形发生器14的输出端与偏振合束器16的第一输入端相连，第二波形发生器15的输出端与偏振合束器16的第二输入端相连，偏振合束器16的输出端通过保偏光纤17与光纤环谐振腔2的光信号输入端21相连；

光纤环谐振腔2包括耦合器24和通过其相连接的直波导22和光纤环23，同时该光纤环谐振腔为具有双端口的非线性光纤环谐振腔，双端口分别为光信号输入端21和光信号输出端25，其中，光信号输入端21通过保偏光纤与偏振合束器16的输出端相连，光信号输出端25通过保偏光纤与第二偏振分束器31的输入端相连；

双光频梳分离系统3包括通过保偏光纤17相连接的第二偏振分束器31、第一带通滤波器32、第二带通滤波器33和第二偏振控制器34，偏振分束器31包括两个输出端口，分别连接第一带通滤波器32、第二带通滤波器33的输入端，第一带通滤波器32的输出端与第二偏振控制器34的输入端相连，双光频梳分离系统3用来分离两个光频梳，并将其中一个光频梳的偏振旋转90度，使两个光频梳具有相同的偏振态；

上述各光学组件在本发明中的作用是：

连续光激光器11为双光频梳的产生提供能量，波长在1550nm附近；

第一偏振控制器12用于调节连续光激光器注入两正交偏振态的功率大小，即分光比，调整至合适的偏振角(45度)可以使连续光激光器注入两正交偏振态的功率相等；

第一偏振分束器13用于将两正交偏振态分离，便于单独进行调制；

第一波形发生器14用于对其中一个偏振态进行调制，叠加合适的波形；

第二波形发生器15用于对另一个偏振态进行调制，叠加合适的波形；

偏振合束器16用于对两偏振态合并，通过光信号输入端21、直波导22和耦合器24进入光纤环23，从而在单一光纤环谐振腔中产生双光频梳；

光纤环23在该系统中具有三个作用：

①作为窄带宽梳状滤波器，与连续光激光器11产生的光信号谐振，选择1550nm波段的光信号；

②不完全对称的光纤环结构可以利用两正交偏振态的群速度不同，用于决定双光频梳的重复频率和重频差；

③作为产生光参量振荡的核心器件，双光频梳就是在光纤环23中形成；

第二偏振分束器31用于将光纤环谐振腔2中输出的两个光频梳分离开来，两路光信号分别进入第一带通滤波器32和第二带通滤波器33。

第一带通滤波器32、第二带通滤波器33分别用于选择第二偏振分束器31其中一路输出光信号通过波长，提高光频梳的信噪比，两带通滤波器可以是窄带带通可调光学滤波器或者为波长选择开关。

第二偏振控制器34用于将通过第一带通滤波器32光信号的偏振态旋转90度，使其与通过第二带通滤波器33光信号的偏振态相同。第二偏振控制器34可以是机械式偏振控制器或者是基于玻片的偏振控制器或者是90度法拉第偏振旋转器。

保偏光纤17用于连接上述各光学器件，同时保证光信号的偏振态在光信号传输过程中保持不变。

请参考图2，图2是本发明实施例中采用的不完全对称光纤环结构示意图；本实施例中，光纤环23是由两段不完全相等的保偏光纤旋转90度熔接而成的，两段光纤的长度接近但不完全相等，光纤环23与直波导22通过耦合器进行能量交换，耦合效率为95/5，环内第一段光纤231的长度为43m，环内第二段光纤234的长度为42m，它们具有相同的非线性系数γ＝1.2W^-1·km^-1，相同的二阶色散系数β₂＝-20ps²/km，在光纤中两正交偏振态的失谐量差δΔ≈0、群速度差|Δβ|＝4000ps/km。光纤环的自由光谱范围为2.39MHz。由图2可知，环内第一段光纤231的两端分别为node_1端口232和node_4端口236，环内第二段光纤234的两端为node_2端口233和node_3端口235，两段光纤分别在node_1端口232、node_2端口233和node_3端口235、node_4端口236旋转90度熔接；所述环内第一段光纤231和环内第二段光纤234中均有u和v两种传输模式，当光信号从node_1端口232进入node_2端口233时，原本在u中传输的光信号的偏振态进入v中传输，原本在v中传输的光信号的偏振态进入u中传输；；同理，这种变化在光信号从node_3端口235进入node_4端口236时也会发生；

其中，u和v分别代表慢轴和快轴，所述光信号有两个偏振态，当所述光信号在环内第一段光纤231或环内第二段光纤234中传输时，光信号的一个偏振态在u中传输，另一个偏振态在v中传输u和v分别代表慢轴和快轴。

本发明的具体仿真过程及仿真结果如下：

在Matlab仿真软件中设置相关参量模拟光信号在光纤环谐振腔中的演化过程，设置连续波的中心波长在1550nm附近，功率设置为2W，设置分光比，将能量分为两等份输入两正交偏振态光场，同时分别对两正交偏振态叠加高斯脉冲，而后进入按上述参数设置的光纤环谐振腔中，以其中一个光场为参考，另一个与其正交的光场中的脉冲会相对前一个光场中的脉冲在时域发生“漂移”，仿真结果如图3和图4所示；

图3(a)是光纤环中偏振光经历100圈环程后的时域波形图，纵轴|E_1,2|²表示两偏振态光信号的功率大小，单位为W，横轴是以其中一个偏振态光信号传播的群速度为参考的快时间坐标，单位为ps，图3(b)是光纤环中偏振光100圈环程中时域波形演化过程，纵轴代表偏振光信号在光纤环内经历的环程数，根据每圈的时域漂移量4ps(即两偏振态光信号的环程时间差)，已知光纤环的自由光谱范围为2.39MHz，则可以计算出两光频梳的重复频率差约为22.85Hz；

图4(a)是偏振光经历100圈环程后光频梳1的频谱图，图4(b)是偏振光经历100圈环程后光频梳2的频谱图，横轴表示光信号在频域上的波长范围，单位为nm，纵轴表示光信号在不同波长的强度，单位为dBm，从图4(a)和图4(b)中可以看到产生了两套光频梳；

综上所述，本发明提出的基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统可以在单一光纤环谐振腔中产生较低重频差的双光频梳，克服了使用两个谐振腔分别产生光频梳合并为双光频梳的复杂性。该系统采用的不完全对称光纤环结构有效避免了双偏振态间群速度差过度累积，使两个偏振态具有不同的环程时间，同时对两个偏振态利用信号发生器进行调制，在光纤环内产生两套具有不同偏振方向和重复频率的光频梳，通过正交偏振双光频梳的分离和偏振旋转，从而得到同偏的具有较低重频差的双光频梳，同时光纤环谐振腔由保偏光纤和耦合器组成，结构简单、便于制作，成本较为低廉，利用该技术方案产生的双光频梳在精密测量和传感检测中具有广泛的应用前景。

本发明的有益效果是：使用单个光纤环谐振腔产生双光频梳，且所产生的双频梳重频差较低，同时，系统结构简单，成本较低，具体体现在以下：

1、利用两个正交偏振模式在光纤中传播速度不一致的特性，通过不完全对称的光纤环结构可以产生两个重复频率不同的光频梳，相互正交的偏振双光频梳有利于实现光频梳的分离和操控。这种在单一光纤环谐振腔中产生双光频梳的技术方案，具有结构简单，易于操控等优点；

2、设计了一种不完全对称的光纤环结构，通过环内两段光纤旋转90度熔接，使原本在快轴传输的光信号进入慢轴、原本在慢轴中传播的光信号进入快轴，可以避免环程累积过大的正交偏振光信号间群速度差值，使得两个光频梳的环程时间差较小，即产生的双光频梳自由光谱范围(重复频率)差值较小；

3、系统中的光纤环谐振腔由保偏光纤和耦合器组成，结构简单、便于制作，且不需要用到锁模激光器产生双光梳方式中的光纤放大器、增益光纤等，成本较为低廉，便于应用于精密测量和传感检测，具有较高的性价比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于：该双光频梳产生系统包括：光信号调制系统(1)、光纤环谐振腔(2)以及双光频梳分离系统(3)，且所述光信号调制系统(1)、光纤环谐振腔(2)和双光频梳分离系统(3)之间均通过保偏光纤(17)相连接；

所述光信号调制系统(1)包括通过保偏光纤(17)相连接的连续光激光器(11)、第一偏振控制器(12)、第一偏振分束器(13)、第一波形发生器(14)、第二波形发生器(15)和偏振合束器(16)；

所述光纤环谐振腔(2)包括耦合器(24)与通过所述耦合器(24)相连接的直波导(22)和光纤环(23)；

所述双光频梳分离系统(3)包括通过保偏光纤(17)相连接的第二偏振分束器(31)、第一带通滤波器(32)、第二带通滤波器(33)和第二偏振控制器(34)；

所述光纤环谐振腔(2)为具有双端口的非线性光纤环谐振腔，所述双端口分别为光信号输入端(21)和光信号输出端(25)；

所述光信号调制系统(1)中，连续光激光器(11)的输出端与第一偏振控制器(12)的输入端相连，第一偏振控制器(12)的输出端与第一偏振分束器(13)的输入端相连，第一偏振分束器(13)的第一输出端与第一波形发生器(14)的输入端相连，第一偏振分束器(13)的第二输出端与第二波形发生器(15)的输入端相连，第一波形发生器(14)的输出端与偏振合束器(16)的第一输入端相连，第二波形发生器(15)的输出端与偏振合束器(16)的第二输入端相连，偏振合束器(16)的输出端与光纤环谐振腔(2)的光信号输入端(21)相连；

所述光纤环谐振腔(2)中，光纤环谐振腔(2)的光信号输入端(21)通过保偏光纤与偏振合束器(16)的输出端相连，光信号输出端(25)与第二偏振分束器(31)的输入端相连；

所述的光纤环(23)包括环内第一段光纤(231)和环内第二段光纤(234)，所述环内第一段光纤(231)的两端分别为node_1端口(232)和node_4端口(236)，所述环内第二段光纤(234)的两端为node_2端口(233)和node_3端口(235)，所述环内第一段光纤(231)和环内第二段光纤(234)分别在node_1端口(232)、node_2端口(233)和node_3端口(235)、node_4端口(236)旋转90度熔接；

所述环内第一段光纤(231)和环内第二段光纤(234)中均有u和v两种传输模式，当光信号从node_1端口(232)进入node_2端口(233)或从node_3端口(235)进入node_4端口(236)时，原本在u中传输的光信号的偏振态进入v中传输，原本在v中传输的光信号的偏振态进入u中传输；

其中，u和v分别代表慢轴和快轴，所述光信号有两个偏振态，当所述光信号在环内第一段光纤(231)或环内第二段光纤(234)中传输时，光信号的一个偏振态在u中传输，另一个偏振态在v中传输；

所述连续光激光器(11)的波长为1550nm；

所述第一偏振控制器(12)是机械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器；

所述第一波形发生器(14)和第二波形发生器(15)均为波形发生器；

所述第一带通滤波器(32)和第二带通滤波器(33)均为窄带带通可调光学滤波器或者为波长选择开关；

所述的第二偏振控制器(34)是机械式偏振控制器或者是基于玻片的偏振控制器或者是90度法拉第偏振旋转器；

所述双光频梳分离系统(3)中，偏振分束器(31)的输入端与光信号输出端(25)相连，偏振分束器(31)的第一输出端与第一带通滤波器(32)的输入端相连，偏振分束器(31)的第二输出端与第二带通滤波器(33)的输入端相连，第一带通滤波器(32)的输出端与第二偏振控制器(34)的输入端相连；

基于该系统实现的一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生方法的具体实现过程为：

开启连续光激光器(11)，设置所述连续光激光器(11)的波长为1550nm，

产生连续光信号，该连续光信号通过第一偏振控制器(12)调节分光比，形成具有两个相互正交偏振态的光信号，即TE模式光信号和TM模式光信号，所述两个相互正交偏振态的光信号通过第一偏振分束器(13)后，TE模式光信号进入第一波形发生器(14)，TM模式光信号进入第二波形发生器(15)，TE模式光信号和TM模式光信号调制完成后通过偏振合束器(16)形成调制偏振光信号，该调制偏振光信号通过光纤环谐振腔(2)的光信号输入端(21)进入直波导(22)，再通过耦合器(24)进入光纤环(23)，利用光纤结构和光纤环结构的不完全对称性，产生两个重复频率不同、强度相同的光频梳，并通过光纤环谐振腔(2)的光信号输出端(25)输出形成双光频梳的偏振光信号，该形成双光频梳的偏振光信号通过第二偏振分束器(31)分离成两路光信号，即两套光频梳后，调节第一带通滤波器(32)和第二带通滤波器(33)的中心波长和带宽，提升两套光频梳的信噪比，调节第二偏振控制器(34)使光纤环谐振腔(2)输出的两个光频梳具有同向的偏振态。