CN113168067A - 经由与基于芯片的半导体激光器耦合的光微谐振器的孤子态生成光脉冲 - Google Patents

经由与基于芯片的半导体激光器耦合的光微谐振器的孤子态生成光脉冲 Download PDF

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Abstract

适于产生重复的光脉冲1的光脉冲源100包括被布置用于提供CW激光2的连续波CW激光装置10、与CW激光装置10光学耦合的光波导20、由具有三阶克尔非线性和异常谐振器色散的谐振器材料制成的光微谐振器30，其中CW激光装置10和光微谐振器30被布置在公共芯片基板装置40上，用于将CW激光2经由光波导20耦合到光微谐振器30中，光微谐振器30在CW激光装置10的预定输出频率处能够包括处于孤子状态的光场，使得可以将孤子形脉冲耦合到光微谐振器30之外，以用于提供重复光学脉冲1，以及布置用于调整CW激光装置10的输出频率的调谐装置50，其中，CW激光装置10包括基于芯片的半导体激光器11，光微谐振器30和光波导20中的至少一个适于通过光的光反馈部分3的效应来提供相对于光微谐振器30的谐振频率的自注入锁定，并且调谐装置50被布置用于调谐半导体激光器11的驱动电流和温度中的至少一个，使得光微谐振器30能够提供孤子状态。此外，描述了光脉冲生成方法。

Description

经由与基于芯片的半导体激光器耦合的光微谐振器的孤子态 生成光脉冲
技术领域
本发明涉及一种光脉冲源，其适于使用由具有三阶(克尔)非线性和异常谐振器色散的谐振器材料制成的光微谐振器产生重复的光脉冲。此外，本发明涉及利用光微谐振器产生重复光脉冲的方法。本发明的应用可用于例如测量，特别是紧凑型光学时钟、电信、光学信息处理、信息传输、天文学、医疗诊断和治疗和频谱学。
背景技术
在本说明书中，参考以下示出了本发明的技术背景和相关技术的现有技术。
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激光频率梳(或：光学梳)包括在时域中产生重复激光脉冲的序列的光学装置，或在频域中产生具有多个等距频率分量(频率梳)的频谱。术语“频率梳”用于在频域中产生脉冲和频谱的装置。光学梳[1，2]在过去的二十年中具有革命化的时间保持和频率测量，并且已经发现各种各样的应用。基于微谐振器的克尔光学梳(克尔梳或微梳)[3，4]已经提供了紧凑芯片级光频梳的途径，该芯片级光学频率梳在微波到太赫兹域(10GHz至1THz)中具有宽的光学带宽和重复率。它们紧凑和低功率性质使得能够在除了研究实验室的移动或机载应用中使用，包括在空间中的操作。对这样的微梳可以在耗散克尔孤子(DKS)状态(孤子微梳)[5-7]中操作的观察已经允许它们变得完全相干[6]。克尔孤子呈现了一组丰富的非线性光学现象，诸如孤子切轮科夫辐射(也称为色散波)，其可以扩展频率梳[7]的频谱包络孤子微梳已经应用于计算光周期[8]、相干通信[9]、超速测距[10，11]、双梳频谱[12]、低噪声微波产生[13]和光频合成[14]。
存在对将孤子微梳完全光子集成在单个、紧凑和电驱动封装中的兴趣，因为这将降低制造微梳的成本，并且特别地，这将允许与新兴的高容量应用-诸如，基于激光的测距(LIDAR)或用于基于数据中心的光学互连的密集波分复用的源-与大规模可制造设备兼容。然而，作为传统技术的限制，微梳依靠提供用于孤子形成的所需相干、频率捷变和功率水平的大量外部激光模块的光学泵浦。由于用于孤子形成的高阈值功率通常超过基于集成硅的激光器的功率以及对于孤子发起所要求的频率捷变，完全光子集成在传统技术的基础上是具有挑战性的。
经由硅光子的进步，已经实现了激光器[15]、调制器[16]和市场上可获得的宽范围的无源和有源元件[17，18]适用于孤子形成的高Q微谐振器的光子集成已取得了显着进步，特别是使用了Si3N4-CMOS可兼容材料作为覆盖层。该平台具有几个有利的特性[21]，包括高克尔非线性，色散控制的大灵活性，外空间兼容性[22]和大的带隙，因此在电信频段免于双光子吸收。所有这些优点促进了Si3N4微谐振器中孤子的形成[7]。在相关成就中，超高QSiO2空气包覆的微谐振器最近与Si3N4波导集成在一起以产生孤子[23]。此外，已经制造了高Q Si3N4光子集成微谐振器(固有Q0>1×107)[24-26]。
近来已经做出了将这种集成光子微谐振器与紧凑激光器装置-诸如在硅光子中开发的那些-组合的努力[14]。然而，这些和其它方法(例如[30]、[31])仍然被片外激光器用独立的体激光模块光学泵浦，并且通常采用附加的放大器用于孤子发起以克服集成光子谐振器的耦合损耗和低Q因子(质量因子)。同样地，如上面所提到的，基于硅光子的激光器的使用由于典型地超过激光功率输出功率(mW级)的孤子形成的阈值而目前具有挑战性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的光脉冲源，其能够避免使用光微谐振器产生频率梳的常规技术的限制。特别地，光脉冲源将被设置为紧凑结构、具有光子集成能力和/或对驱动光微谐振器的激光器进行调谐的促进控制。本发明的另一目的是提供一种产生重复光学脉冲的改进方法，在该方法中避免了常规技术的限制，并且特别地改进了光微谐振器的光子集成和/或驱动控制。
这些目的利用光脉冲源和包括独立权利要求的特征的方法来分别解决。在从属权利要求中限定了本发明的有利实施例和应用。
根据本发明的第一方面，通过用于产生重复光学脉冲的光脉冲源来解决上述目标，所述该光脉冲源包括用于提供CW激光的连续波(CW)激光装置(种子激光器)、光微谐振器和与所述CW激光装置和所述光微谐振器光学耦合的光波导(总线波导)。CW激光装置和光微谐振器被布置在公共芯片基板装置上。光微谐振器由具有三阶(克尔)非线性和异常谐振器色散的谐振器材料制成。CW激光装置、光波导和光微谐振器被配置为使得当经由光波导将CW激光耦合到光微谐振器中时，光微谐振器包括振荡光场，并且在CW激光装置的预定输出频率(或：发射波长)处，光微谐振器能够包括处于孤子状态的光场。利用该配置，光脉冲源能够将孤子形脉冲耦合到光微谐振器之外，以提供重复的光脉冲。为了调整输出频率，光脉冲源设置有控制CW激光装置的调谐装置。
光微谐振器是紧凑的、介质谐振器，其具有cm-或次cm级光路径长度(即，光路径长度等于或低于2cm，特别是低于10mm)和微米级光模式场直径(例如，光模式场直径等于或低于2μm)。微谐振器可以包括圆形谐振器，像环形谐振器或回音壁模式(WGM)谐振器。在这种情况下，光路径长度是谐振器的内圆周长度与谐振器材料的折射率的乘积。或者，微谐振器可包括线性谐振器，如法布里-珀罗谐振器，其光路径长度等于纵向谐振器长度乘以谐振器材料的折射率。
根据本发明，CW激光装置包括基于芯片的半导体激光器。半导体激光器具有的半导体材料作为激光有源部分，特别是半导体激光二极管。半导体激光器被配置用于直流电泵浦。优选地，其适于响应于将驱动电流注入到半导体材料而产生CW激光，且特别优选地，在没有额外光学泵浦的情况下将驱动电流注入到半导体材料而产生CW激光。术语“基于芯片”是指半导体激光器布置在芯片基板装置的激光芯片载体上，也即固体载体上基板基板。有利地，CW激光装置的所有光学部件可以被布置在激光载体芯片上。
作为使用基于芯片的半导体激光器的优点，光脉冲源允许CW激光装置和光微谐振器的光子集成。因此，光脉冲源提供具有紧凑结构的电泵微梳。
进一步地，根据本发明，光微谐振器和光波导中的至少一个适于将光的光学反馈部分(部分背反射)反射回半导体激光器。所述半导体激光器被配置用于通过所述光学反馈部分的效应来提供相对于所述光微谐振器的谐振频率的自注入锁定。有利地，光微谐振器和/或光波导的部分反射率通过经由自注入锁定来稳定CW激光生成并使半导体激光器的线宽变窄来改进稳定的微梳操作。将光反馈部分的振幅选择成使得获得稳定CW激光生成和线宽变窄的上述效果，例如，基于测试实验和/或数值模拟。
进一步地，根据本发明，调谐装置被配置用于调谐半导体激光器的驱动电流和温度中的至少一个，使得光微谐振器能够提供孤子态。调谐装置产生半导体激光器的驱动电流和/或对半导体激光器温度控制的电功率输入，以例如，根据预先存储的参考值、预先存储的或受控的调节过程和/或环路控制来设置在微谐振器中振荡的光场的孤子态。有利地，调谐装置提供了电控制，优选地，提供了对紧凑频率梳的基于排他电流的控制。
根据本发明的第二方面，通过用于生成重复光脉冲的光脉冲生成方法来解决上述目标，所述方法包括以下步骤：利用CW激光装置产生CW激光；经由光波导将所述CW激光光学耦合到由谐振器材料制成的光微谐振器中，所述谐振器材料具有三阶(克尔)非线性和异常谐振器色散；将所述CW激光装置的输出频率调整成使得在所述CW激光装置的预定输出频率处，所述光微谐振器产生处于孤子态的光场并且将孤子形脉冲耦合出所述光微谐振器以用于提供所述重复光脉冲。
根据本发明，利用基于芯片的半导体激光器生成CW激光，光的光学反馈部分从光微谐振器和光波导中的至少一个反射回半导体激光器，使得半导体激光器提供相对于光微谐振器的谐振频率的自注入锁定，并且调节步骤包括调谐半导体激光器的驱动电流和温度中的至少一个，以使得光微谐振器在产生孤子状态下的光场。
优选地，本发明的光脉冲生成方法利用根据本发明的上述第一方面的光脉冲源实现。
作为主要优点，本发明提供了电驱动和电流启动的、显著简化光子集成的孤子微梳。发明人已经发现，可以特别地通过在基板，如芯片上集成非线性高Q(品质因数)的微谐振器、用于具有足够用于孤子发起的输出功率水平的种子激光器的片上方案以及在孤子激励过程中使用的任何激光调谐机构[6，7，19，20]的整和来获得对光子微梳的光子集成。基于微谐振器的Q(或：Q0)因子以及可选地还有操作频率范围，选择用于孤子激发的半导体激光器组的输出功率。在优选的实际实例中，半导体激光器的输出功率水平为至少5mW或至少10mW，特别是至少100mW。输出功率甚至可以高达250mW或更高，如300至400mW，具体取决于操作频率范围1.3μm或1.6μm。此外，优选地，光微谐振器30具有高谐振器质量Q0，尤其是具有Q0>2×106，例如Q0>5×106。通过制造具有平滑波导侧壁的微谐振器，可获得高Q微谐振器，因为这通过例如采用包括回流步骤[26]的光子镶嵌工艺得以实现。
有利地，集成装置具有大约1cm3体积或更小可使用可商购获得的半导体激光器二极管芯片，优选消耗小于1瓦的电功率并产生具有例如小于100GHz线间距的光频梳。本发明在尺寸、成本和重量上的显著减小，并且还提供了简化的异构集成，特别地，不像硅光子III-V激光器那样,需要晶片接合。作为进一步的优点，本发明的技术与可用的半导体激光器二极管技术兼容，并且提供了用于高容量应用(诸如用于数据中心可行的激光测距或光学互连)的微梳的可缩放的成本效益制造的路径。
根据本发明的优选实施例，半导体激光器的线宽在10cm-1到500cm-1之间，有利地，这有助于接近微谐振器-例如，具有在例如100GHz太赫兹域中重复率的微谐振器-的多个谐振。
作为进一步的优点，本发明可以用不同类型的种子激光器来实现。根据第一变型，半导体激光器包括单模激光二极管。本发明的此实施例在可靠且确定性地接近激光二极管(有限波长调谐)的中心频率周围的特定谐振方面具有特定优点，尤其是在100GHz或较低FSR微谐振器中。优选地，单模激光二极管具有从100kHz到5MHz的范围内的线宽(具体地，取决于芯片布拉格反射器上的质量、线宽变化)。根据第二变型，半导体激光器包括多频激光二极管。在这种情况下，获得在调谐种子激光器方面的特定优点。
根据本发明的优选实施例，所述公共芯片基板装置包括整体芯片基板，优选地由半导体、陶瓷或固体电介质如玻璃或其组合制成。整体芯片基板具有基板表面，半导体激光器和光微谐振器两者以及波导都布置在该基板表面上。本发明的此实施例在光脉冲源的稳定性及其操作方面具有优点。可替代地，公共芯片基板装置包括混合芯片基板，所述混合芯片基板具有承载所述半导体激光器的第一芯片和承载所述光微谐振器的第二芯片，其中所述第一芯片和所述第二芯片彼此固定地耦合。利用该实施例，便于制造光脉冲源。微谐振器承载芯片可以由不同于微谐振器的材料制成，例如，硅。可替代地，其可由与光微谐振器相同的材料制成。
若光脉冲源的调谐装置被布置用于实现预定的调整程序，则半导体激光器的调谐效率被提高。调节过程包括设置所述半导体激光器的第一操作条件的第一阶段，其中获得半导体激光器和光微谐振器之间的自注入锁定；以及随后设置半导体激光器的第二操作条件的第二阶段，其中从自注入锁定的状态开始，在光微谐振器产生中孤子状态的光场。经由自注入锁定状态来设置孤子状态有利地加速了对光脉冲源的适当调谐。
根据本发明的另一优选实施例，可布置用于检测半导体激光器的第一操作条件和第二操作条件的传感器装置。特别优选地，传感器装置被布置用于监控光微谐振器的输出功率。传感器装置的输出信号可用于提供包括调谐装置的控制回路。
光脉冲源的另一特定优点是因为光微谐振器可由半导体激光器的输出直接驱动。除了具有光场引导功能的波导之外，在半导体激光器和光微谐振器之间不需要额外的光学部件或效应。特别地，光波导不包括频率滤波器部分，使得以有利的方式促进光脉冲源的配置。
如果调谐装置被布置用于控制半导体激光器的温度，则优选地，诸如电阻加热器的电控加热元件被作为调谐装置设置以用于设置CW激光装置的温度。加热元件与承载半导体激光器的芯片基板装置的一部分热连接。有利地，加热元件通过设置半导体激光器的激光有源部分的温度来促进CW激光的输出频率的调谐。
通常，反射回半导体激光器的光的光反馈部分可以通过在例如微谐振器的内壁处由于粗糙度而发生的反射来产生。然而，根据本发明的另一有利实施例，反射回半导体激光器的光的光反馈部分可以通过光微谐振器和位于光微谐振器输出侧的光波导的至少一个中设置的反射结构产生。反射结构包括例如在光微谐振器和光波导中的至少一个处产生的光栅结构或凹陷结构中的至少一个。提供具有预定形貌的反射结构具有以下优点：大量制造具有可重现特征和/或简化的控制要求的微梳。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的进一步的细节和优点，附图示意性地示出：
图1：根据本发明的光脉冲源的优选实施例的特征；
图2：经由光波导或与光微谐振器结合的光子线耦合半导体激光器的变型；
图3：将半导体激光器输出垂直耦合到光波导；
图4：制造本发明的混合芯片基板的实施例的说明；
图5：根据本发明的光脉冲源的进一步可选特征；以及
图6至8：对本发明产生重复光脉冲的实验测试和数值模拟的结果。
具体实施方式
下面特别参考本发明的光脉冲源的结构以及特别地，将基于芯片的半导体激光器与光微谐振器耦合以及操作用于实现光微谐振器的孤子态的调谐装置的特征来描述本发明的优选实施例。以Si3N4制成的一个圆形微谐振器的使用作为示例性参考。要强调的是，本发明不限于这种特定类型的光微谐振器，其他谐振器也可以，例如由CaF2、BaF2、SiN、AlN、SiO2或Si制成的谐振器和/或具有线性谐振配置，例如包括在两端具有起皱的线性波导以形成法布里-珀罗谐振器。进一步地，本发明的多个光脉冲源可以被组合，根据本发明的应用，本发明的多个光脉冲源可以被组合以用于同时生成具有不同频谱特性的多个频率梳。制造光微谐振器和波导以及操作例如CW激光或监测装置的细节未被详细描述，因为它们本身由传统技术已知。
光脉冲源
根据图1的示意性放大图，光脉冲源100包括CW激光装置10、与CW激光装置10光学耦合的光波导20以及在公共芯片基板装置40上的光微谐振器30。此外，光脉冲源100包括用于调整CW激光装置10的输出频率的调谐装置50以及可选地，用于监测光脉冲源100的输出的传感器装置60。传感器装置60包括至少一个光电二极管61。由于将CW激光装置10和光微谐振器30组合在公共芯片基板装置40上的紧凑结构，光脉冲源100仅具有小于约1ccm的体积。
CW激光装置10包括基于芯片的半导体激光器11，特别是基于多频法布里-珀罗谐振器的激光二极管，像例如一种磷化铟(III-V)多纵模激光二极管芯片，产生CW激光2。激光二极管是例如InGaAsP/InP多量子阱激光二极管(制造商：SemiNex和Q-photonics)。半导体激光器11具有激光器载体芯片41，激光器载体芯片41是芯片基板装置40的第一部分。激光载体芯片41提供载体基板和散热器。为了调谐半导体激光器11的输出频率，激光器载体芯片41可选地包括加热元件53，像与半导体激光器11热耦合并且与调谐装置50电耦合的电阻加热器。
光波导20是具有第一端21的线性波导，可选地，第一端21例如通过波导和激光面的直接接触与半导体激光器11.的输出光学耦合。光波导20由例如Si3N4、AlN、或SiO2制成，并且光波导20被布置在谐振器载体芯片42上，谐振器载体芯片42为芯片基板器件40的第二部分。谐振器载体芯片42由例如Si3N4制成。光波导20用作将CW激光2的光场携带至光微谐振器30的输入波导(第一波导部分22)以及携带耦合出光微谐振器30的孤子形光学脉冲1的输出波导(第二波导部分23)两者，的第二波导部分22可以在光波导20的第二端24处与另一耦合波导25和/或传感器装置60耦合。
光微谐振器30由谐振器材料制成，该谐振器材料具有三阶(克尔)非线性和异常谐振器色散，例如Si3N4。光微谐振器30具有高谐振器品质Q0，Q0>1×107在一个示例中，光微谐振器30是如[7]中所述的光子芯片级Si3N4光微谐振器。光微谐振器30被布置在谐振器载体芯片42上，使得与光波导20的光学耦合经由衰减光场通过横向波导表面来获得。
激光载体芯片41由InP制成，并且其直接对接耦合至承载光微谐振器30的谐振器载体芯片42。对接耦合方案(参见图4)给出了大约6dB(二极管芯片透镜光纤)的总插入损耗，具有用于光输入/输出耦合的双倒锥形结构[38]。当从半导体激光器11发射的光的频率与光微谐振器30的高Q(品质)谐振重合时，进行如下所述激光自注入锁定。该过程(参见[29])由于将光的光反馈部分3反射回半导体激光器11(参见图1中的虚线)而发生，这例如通过在光微谐振器30或光微谐振器30内的反射结构31(参见图1、2和4)或在第二波导部分23中的体积和表面瑞利散射获得。光的光学反馈部分3被注入回半导体激光器11中，从而向半导体激光器11提供频率选择性光学反馈，导致单频操作和激光线宽的显著减小。反射结构31可包括适于背反射进入半导体激光器11的特定模式的至少一个光栅和/或起皱结构。
调谐装置50包括半导体激光器11的驱动电流控制51和/或与加热元件53连接的温度控制52。控制单元被配置用于实现调节过程，使得光微谐振器30能够提供如下所述的孤子态。为此，控制单元可以与传感器装置60连接。
半导体激光器11和光微谐振器30被布置在公共芯片基板装置40上，以用于将CW激光2经由光波导20耦合到光微谐振器30中。基板装置40可包括激光载体芯片41和谐振器载体芯片42(混合实施例，例如图1)或公共单载体芯片43(例如图2)。
图2另外地示出了将半导体激光器11与光波导20耦合的变型，包括异构集成(图2A)或使用光子线接合耦合的混合集成(图2B)。利用异构集成，半导体激光器11的输出光纤12与光波导20光学耦合。对于光子线接合耦合，光纤被布置在半导体激光器11的输出面13和光波导20的第一端21之间。在两种情况下，光纤可以是由例如SiN或SiO2的介电材料制成的波导部分。
图3中将半导体激光器11与光波导20耦合的另一变型与单芯片基板装置40的横截面图一起示出。在该实施例中，提供了垂直耦合即具有偏离半导体激光器11的纵向谐振器延伸的耦合方向的耦合。半导体激光器11例如基于InP的激光二极管和由例如Si3N4制成的光波导20被嵌入到公共芯片基板装置40上，该公共芯片基板装置40由SiO2块体44位于Si基板45上制成。光波导20的侧表面与半导体激光器11光学耦合。
对于混合实施例，对接耦合可以通过将激光载体芯片41和谐振器载体芯片42粘合在一起而获得，如图4所示。在实际制造中，提供光学透明胶如光学环氧树脂的液滴46，并且激光载体芯片41被压靠在谐振器载体芯片43上(参见箭头)。
通过使用例如高Q光子芯片级的Si3N4微谐振器30，优选使用光子镶嵌回流工艺[26，27](参见下面进一步的细节)，结合多纵模(多频)法布里-珀罗InP激光二极管芯片，在孤子被形成处，同时观测到自注入锁定[28，29]。对于块体超高Q晶体MGF2谐振器[13，30]，已经展示这种与孤子形成并发的自注入锁定。本发明人观察到，激光二极管的电流调谐引起从基于注入锁定的单纵模激光(线宽减小1000倍)到克尔频率梳、呼吸孤子形成，接着在集成微谐振器中形成稳定的多个和单个DKS。外差测量(如下所述)展示了所生成的孤状态的低噪声性质。根据本发明产生的这种基于电驱动光子芯片的孤子微梳提供了适用于高容量应用的集成且空前紧凑的光梳源的解决方案。
制造光脉冲源
光子集成Si3N4芯片包括位于谐振器载体芯片42上的光微谐振器30，并且通过使用光子镶嵌回流工艺制作。优选地，多个芯片被同时制造。波导和谐振器图案由深紫外步进光刻限定，并通过干蚀刻转移到SiO2预制体。使用预制体回流步骤来减小由干蚀刻[26，36，37]引起的波导侧壁粗糙度，从而平滑波导并导致微谐振器的高Q因子。化学机械抛光(CMP)允许在整个4英寸(约10cm)晶片级上测量的波导高度精确控制到750±20nm。在Si3N4波导上没有沉积顶包层。通过光刻(主要在波导宽度上)和CMP(在高度上)的精确尺寸控制使得相同设计的样本能够在晶片上的不同位置处具有相同的几何形状。
光微谐振器30通过衰减光场耦合到谐振器载体芯片42上的光波导20。CW光2经由光波导上在输入面和输出面的双倒纳米锥形[38]耦合到Si3N4芯片上，即，从半导体激光器11(激光二极管芯片)到光微谐振器30(微谐振器芯片)，并且从光微谐振器30到收集孤子形脉冲1(梳频谱)的透镜光纤，如图2A中示意性示出。此外，光波导几何形状被设计成实现具有减小的寄生损耗[39]的高耦合理想性。
微谐振器色散
可以通过测量透射频谱来提取微谐振器色散，透射频谱由标准光频率梳[40，41]校准。光微谐振器30的色散根据相对于线性网格的谐振频率偏差来表示，即：
Figure BDA0002980511600000111
其中,ωμ为微谐振器的物理谐振频率。中心谐振(激光被注入锁定到其中)的μ＝0。D1＝2π×FSR是重复频率。二阶单元D2是微谐振器的群速色散(GVD)并且D2>0表示异常GVD。
每个谐振可以使用基于来自传输频谱的耦合模理论[42，43]的模型来拟合。谐振线宽反映了微谐振器的总损耗率(κ)，总损耗率(κ)由固有损耗率(κ0)以及外部耦合率κex组成，即，κ＝κ0+κex。为获取固有Q因子(Q0)，测量高度欠耦合微谐振器，即κex→0。
在实际实施方式中，已经测试了三组光微谐振器30，这三组在FSRs方面不同：～1THz,～150GHz,以及<100GHz。下面参考图6至8描述这些测试。与图6所示的结果对应的微谐振器具有：对于基本TE模式，Q0≈6×106,FSR＝1.02THz,D2/2π≈188MHz。微谐振器宽度为1.53μm。与图7所示的结果对应的微谐振器具有：Q0≈6.5×106,FSR＝149GHz,D2/2π≈3.90MHz(基本TE模式)，微谐振器宽度为1.58μm。与图8所示结果对应的微谐振器具有：Q0≈8.2×106，(对于图4(d))FSR＝88.6GHz，D2/2π≈1.10MHz(基本TE模式)，微谐振器宽度为1.58μm；对于图8E，FSR＝92.4GHz,D2/2π≈1.56MHz(基本TE模式),微谐振器宽度为1.58μm。
这样的高Q因子已经使得在微谐振器中的直接生成孤子梳，而不放大种子激光器[27]。参数振荡的阈值功率可以低至亚毫瓦(临界耦合)，其被计算为：
Figure BDA0002980511600000121
其中，n为折射率，ω为光的角频率，其中n是折射率，Veff表示有效模态体积，ω是光的角频率，c是真空中的光速，n2是非线性折射率。对于
Figure BDA0002980511600000122
(n≈1.9，Veff≈1.5×10-16μm3，n2≈2.4×10-19m2/W)的Si3N4微谐振器。因此，阈值功率低至Pth≈0.62mW。
作为示例，当将约280mA的电流施加到二极管芯片时，产生具有FSR～92.4GHz的微谐振器中的多个DKS，对应于约50mW的光输出功率。通过在输出芯片面24处使用透镜光纤收集，输出功率被测量为约11mW，表明耦合效率为约22％(总插入损耗为-6.6dB)。光波导20中的光功率估计为约23.5mW，这已经被证明足以激发高Q Si3N4微谐振器[27]。
一种光脉冲源的光脉冲生成方法及实际特征
以下参考图6至8描述利用如图5所示的光脉冲源100的实施例获得的光脉冲生成方法的特征和实验测试的结果。
图5的光脉冲源100包括在公共芯片基板装置40上的CW激光装置10、光波导20和光微谐振器30、调谐装置50和具有如图1中所示的第一光电二极管61的传感器装置60。此外，特别地，为了测试源或监测处于操作中的源，设置监测装置70，该监测装置70包括光学频谱分析仪71、示波器72和/或电信号频谱分析仪73。光学频谱分析仪71被设置用于表征光学域中的输出脉冲1，而电信号频谱分析仪73被设置用于通过输出脉冲1的外差测量和参考激光器80-例如，在射频(RF)域中具有约10kHz的短时线宽的Toptica CTL1550-的输出来表征差频信号。利用电信号频谱分析仪73，输出脉冲2的相干性可以通过利用窄线宽参考激光器80对选定梳齿进行外差式差频(beatnote)测量来监测。此外，调谐装置50与用于设置调整过程的任意功能发生器54连接。
外差测量用于评估产生的孤子形脉冲1的相干性，因为孤子形脉冲1的线形状揭示了相对于参考激光器80的频率噪声谱密度。实际上，频率噪声可包括白噪声(产生洛伦兹线形)和闪烁噪声(对应于高斯线形)。因此，佛客脱(Voigt)线形[44]可以用于拟合差频信号，其表示洛伦兹(L(f))和高斯(G(f))线形的卷积，即：
Figure BDA0002980511600000131
Figure BDA0002980511600000132
Figure BDA0002980511600000133
其中“f”表示在射频域中相对于差频信号的中心的频移，并且σ和ψ表示线宽范围。为了启动拟合，假设在差频线形的翼部上，信号主要由确定由ψ描述的瞬时线宽的白噪声贡献。相反，在差频线形的中心周围，信号也由取决于例如，ESA的采集时间以及电流或温度控制器的稳定性的闪烁噪声贡献。噪声的该部分由σ调整。然后将高斯线形的半高全宽(FWHM)对于洛伦兹为ΔfG＝2σ和ΔfL＝2ψ。
图6示出了通过激光注入锁定孤子形成来产生电泵孤子微梳。图6A示出了1.02THzFSR(特征为两组谐振：基本横电(TE)模式族(由圆圈标记)和一个高阶TE模式族)Si3N4微谐振器30的透射频谱。图6B示出了多频半导体激光器11的激光频谱，特别是激光二极管(对应于图6F中的状态i)。图6C示出了自由运行的半导体激光器11和窄线宽基准激光器80(示出了60MHz线宽)之间的测量和拟合的外差式差频信号。图6D示出了在顶面板中(图6F中的状态ii)的单纵模式的频谱，其被注入锁定到微谐振器的选定谐振；以及在底部面板中(在图6F中的状态iii)示出了源自激光注入锁定的克尔频率梳的频谱。图6D的插图示出了基本TE模式的一个谐振，该谐振示出了由于反向散射而导致的模式分裂，在正向传播模式和反向传播模式之间具有估计118MHz耦合强度。图6E示出了注入锁定的半导体激光器11和参考激光器80之间的外差式差频信号。测量的差频信号与具有半峰全宽(FWHM)～186kHz(参见下面的细节)的Voigt线形拟合。
图6F示出了通过施加在半导体激光器11上的电流调制在芯片输出面24处测量的典型传输功率迹线，在图6中标记了不同状态：(i)有噪声的、不具有注入锁定的多频激光；(ii)对微谐振器谐振的激光注入锁定，以及同时形成低噪声单纵模激光；以及(iii)形成克尔频率梳。状态(i)是设置半导体激光器的第一操作条件的第一阶段，其中，获得半导体激光器和光微谐振器之间的自注入锁定；而状态(ii)是设置半导体激光器的第二操作条件的第二阶段，其中，在光微谐振器中产生孤子态光场。
本发明的一个有利特征是将光微谐振器30中的孤子生成的光功率要求与半导体激光器11的光功率要求相匹配。这通过将具有高Q因子(Q0>1×107)的高QSi3N4微谐振器使用在整个L带(见以上)。半导体激光器1半导体激光器11的法布里-珀罗激光二极管以1530nm为中心，并且其不具自注入锁定的发射频谱在图6B中示出。模式间隔为35GHz，由法布里-珀罗腔长度确定。当将约350m A的电流施加到激光二极管时，总最大光学输出功率为约100mW。由激光二极管消耗的电功率小于1W。图6C示出了具有参考激光器80的自由运行激光二极管模式的外差式差频，显示了60MHz的高斯线宽和2MHz的估计短时线宽。
发明人首先研究半导体激光器11到基于光子芯片的微谐振器30的自注入锁定。这是通过调谐半导体激光器11的电流来实现的，该电流不仅改变光输出功率，而且还经由载流子色散效应使激光频率偏移。最初，半导体激光器11操作多频[图6B，图6中，高Q微谐振器模式中没有与二极管的多模式激光发射频率匹配的状态。通过经由电流调谐来移动二极管的激光频率，观察到最初的多频率发射频谱切换到单模操作，这表明了自注入锁定。图6D证明激光频率与微谐振器30的选定谐振重合，并且还观察到注入锁定发生于多个谐振。由于反向散射(参见图6D中的插图)，引起激光自注入锁定的所有谐振模式分裂。从所测量的谐振的模式分裂线形中提取的所测量的谐振的反耦合速率是γ/2π＝118MHz(参见上文)。该反耦合导致无源微谐振器30对谐振的振幅反射系数(r)：
Figure BDA0002980511600000141
其中，η＝κex/κ表征耦合效率(κ＝κ0+κex，η＝1/2时为临界耦合，η≈1时，强过耦合)，并且Γ＝γ/κ，为描述谐振分裂可见性的标准化的模式耦合参数，根据[32]，此反射可引发自注射锁定，并且产生窄线宽：
Figure BDA0002980511600000151
其中Q＝ω/κ是微谐振器质量因子，ω/2π是光频率，δωfree/2π是自由运行激光器的线宽。相位-振幅耦合因子αg为线宽增强因子，由实际折射率与响应于载流子密度波动[33]的激光二极管有源区的虚构折射率的比率变化得出，取典型值1.6至7。
InGaAsP/InP多量子阱激光二极管具有αg＝2.5。激光二极管品质因子QLD可以被估算为：
Figure BDA0002980511600000152
其中Ro是输出激光镜的振幅反射系数，τd是激光腔往返程。反射系数是激光二极管的参数，并由激光二极管制造商以Ro＝2.5以及αg＝2.5给出。其他实验确定的参数为κ/2π≈110MHz，γ/2π≈118MHz，η≈0.64，Γ≈1和τd＝1/FSRdiode＝1/(35GHz)＝28.6ps。变窄的线宽的理论估计为δω/2π～0.1kHz。
发明人将自注入锁定线宽的这些理论估计与实验进行比较。图6E示出通过外差测量来测量自注入锁定的单纵模激光器的线宽。线形与Voigt线形拟合，Voigt线形表示洛伦兹线形和高斯线形的卷积(见上面对外差检测的描述)，从而产生对186kHz线宽的高斯贡献。所估计的洛伦兹贡献量达0.7kHz，表示所测量的差频的翼部(wings)。自注入锁定导致激光二极管[32]的白噪声变窄。因此，应当将该值与Voigt线形中洛伦兹贡献(即0.7kHz)进行比较，该洛伦兹贡献对应于线宽超过1000倍减小。
注入锁定也发生在激光腔和微谐振器彼此失谐的情况下，并且如下所述，注入锁定优选使用自注入锁定来生成耗散克尔孤子。锁定范围被限定为激光二极管发射自注入锁定到高Q微谐振器协振的频率范围并且遵循表达式[32]：
Figure BDA0002980511600000153
在理论上估计出的锁定范围超过Δωlock/2π≈30GHz。
为了将自注入锁定的激光频率调谐到克尔梳(和DKS)形成的状态中，本发明人优选地使用“注入牵拉”，该注入牵拉将激光频率从用于自注入锁定的高Q谐振拉出。注入牵拉是激光发射与其反馈之间的微相位差的结果，导致不完美锁定[32]。重要的是，该效应可通过调谐激光二极管的电流或温度来获得，从而允许激光频率与自注入锁定同时改变，从而提供对谐振的频率扫描，如用于DKS形成[6]。
图6F示出了根据电流调谐的光输出功率(传输)迹线，在该图中确定性地观察到自注入锁定。图6F中的初始混乱功率迹线(状态(i))被切换到阶梯样式(图6F中的状态(ii)，中心标记区域)。在切换过程中平均输出功率降低，因为自注入导致单纵模操作，并且增强的功率耦合到Si3N4微谐振器30的高Q谐振中。最显著地，在进一步调谐电流时，观察到功率迹线中的第二阶梯样式(图6F中的状态(iii)，右侧标记区域)，第二阶梯样式对应于(低噪声)克尔频率梳的形成。实际上，在高光功率水平(通常将电流设定为约300m A)时，在调谐电流时观察到克尔梳产生，如图6D中所示。这种现象由微谐振器30的高Q因子支持，从而允许用于参数振荡的次mW阈值功率(参见上文)。
本发明人已经表明，也可以在具有电子可检测模式间隔(149GHz和<100GHz)的装置中观察到自注入锁定，并且重要的是，如果该装置也能够在同时形成DKS的状态下实现操作。图7示出了激光自注入锁定的状态中的克尔频率梳的演进：从调制不稳定性的操作状态中的噪声状态(图7A)，经由所谓的呼吸状态(图7B)，其最终到示出微谐振器中的DKS的形成的低噪声状态(图7C)，其中，频谱是双曲正割包络(示出频谱包络的拟合的实线)。每个插图示出了对应于每个状态的低频射频(RF)频谱。施加到二极管的电流最初被设置为300mA，并且引起转变的增加在1mA内。该测量中Si3N4微谐振器具有149GHz的FSR。
进一步的细节，图7A示出了自注入锁定克尔梳在具有149GHz FSR的光微谐振器30中生成。值得注意的是，不仅观察到克尔梳，而且还切换到DKS状态[6]中。在自注入锁定时，经由电流调谐，首先在低相干状态中激励克尔梳，这由低频RF频谱(图7A中的插图)中的噪声证明。对于这样的低重复率，与噪声可以位于高RF频率(>1GHz)[34]处的太赫兹模式间隔谐振器相比，振幅噪声仍然是频率梳的有效指标，。重要的是，在进一步向二极管增加电流时，这导致通过注入牵引使得激光失谐增加，低相干梳状态变成中间振荡状态。这可被认定为呼吸式DKS(图7B)[35]，其中孤子呈现周期性振荡。RF频谱示出了在～490MHz处的呼吸频率显示出谐波，参见图7B中的插图。先前已经研究了这种基于孤子呼吸动力学即呼吸式DKS[35]，尤其是取决于激光失谐的呼吸频率。对DKS呼吸状态的观察表明，注入牵引使得能够在有效的、孤子生成是所需的红失谐状况下操作。
进一步增加激光电流，观察到向低噪声梳状态的转变，这表明形成稳定的DKS，如图7C所示。频率梳的频谱包络表现出正割平方曲线，该曲线对应于在谐振器中的单孤子循环，呼吸振荡不存在于RF频谱中(图7C中的插图)。仅通过电流和/或温度调谐引起的这种转变已在先前的工作中通过从蓝色到有效红色失谐侧[6]调谐激光的谐振实现。。最重要的是，为了确证孤子态下的操作，经由外差式差频测量[2]来验证相干性。在图8C中示出了具有参考激光器80的孤子梳齿的外差式差频。所测量的外差式差频线宽与注入锁定的激光图6D的线宽-即，高斯线宽为201KHz-相当，并且所估计的短时洛伦兹线宽(仅描述差频的翼部)为1kHz。这些值在经由激光自注入锁定生成孤子梳过程期间未指示相干性的退化。
此外，在具有低于100GHz FSR、电子可检测重复率的Si3N4微谐振器中还观察到经由激光自注入锁定形成孤子形脉冲，在该微谐振器中，由于通过光子镶嵌回流工艺使得高Q因子(Q0～8×106)成为可能，仍可产生孤子梳[27]。这在下面参考图8进行描述。图8A示出了在具有FSR＝92.4GHz以及指示异常群速度的第二阶色散单元D2/2π≈1.56MHz的Si3N4微谐振器(横截面1.58×0.75μm2)中测量并拟合的色散曲线。图8B示出了大约110MHz的谐振线宽的直方图，其对应于大约1.8×106有载品质因数。图8C示出了孤子克尔频率梳的边带和参考激光器80之间的外差式差频信号。所测量的差频信号与Voigt曲线拟合。图8D和8E示出了在Si3N4微谐振器中的在呼吸状态(图8D)以及低噪声稳定的孤子态(图8E)中形成的多个耗散孤子，频谱包络(实线)的拟合进一步示出了在微环腔中循环的孤子的相对位置(示意性插图)。对应于呼吸孤子的低频RF频谱也被作为插图示出。图8D和8E中的频谱在具有的自由频谱范围(FSR)分别为～88GHz和～92GHz的Si3N4微谐振器中产生。
进一步的细节，图8A的抛物线色散曲线示出了来自异常组速度色散(GVD)的二次贡献为：以波长～1540nm为中心，D2/2π≈1.56MHz。加载的谐振线宽κ/2π约为110MHz(图8B)，对应于微谐振器的过耦合状态(固有损耗速率κ0/2π<30MHz)。
在这些类型的微谐振器中，观察到多个耗散孤子，如图8D和8E所示，不仅处于呼吸状态，而且处于低噪声稳定的孤子态。由于孤子的干扰傅立叶分量，频谱包络揭示了多孤子态。通过拟合这些频谱包络(如下面所概述的)，可以解析孤子的数量，并且可以估计它们的相对位置，如图8D和8E中插图所示。测量由梳功率和剩余泵浦功率组成的总传输光功率为～11mW(参见上文)。
在以下考虑的基础上提供耗散克尔孤子梳频谱拟合。已知在谐振器中循环的N个相同的孤子在单孤子频谱[6，7]上产生频谱干扰：
Figure BDA0002980511600000171
此处φi∈[0,2π]是沿着腔往返的第i个脉冲的位置，μ是相对于泵浦激光频率的梳模式指数，S(1)(μ)是遵循近似双曲正割平方的单孤子的频谱包络：
Figure BDA0002980511600000181
其中，A是在泵附近的梳线的功率，而Δμ是梳的谱宽(以梳线为单位)，并且μc是孤子的中心模式(解释孤子回弹或自频移)。通过获知梳重复率fr，可以获得谱宽(或脉冲持续时间)Δf＝frΔμ。
使用以下步骤来拟合单个或多个孤子态的频谱包络：首先，检测构成频率梳的峰值
Figure BDA0002980511600000182
并以其来自泵μ的相对模式索引来标记，并且泵模式被拒绝。通过对该频谱进行逆傅里叶变换并检测其峰值[7]来估计孤子N的数量，对该频谱进行逆傅里叶变换产生了腔内波形的自相关。相应地，一组拟合参数{A,Δμ,μc,φi|i∈2,N}被定义(一个孤子的位置被任意设置为零)，并且将上述S(N)(μ)表达式拟合到实验点
Figure BDA0002980511600000183
。当N个孤子完全等距时，重复数乘以N，并且单孤子表达式可以拟合在每条N线上。
在以上描述、附图和权利要求中公开的本发明的特征可以单独地以及在其各种实施例中用于实现本发明的组合或子组合是有效的。本发明不限于上述优选实施例。相反，多个变体和衍生物也是可能的，其也使用本发明的概念，并且因此落在保护范围内。此外，本发明还独立于它们所涉及的特征和权利要求来权利要求的主题和特征的保护。

Claims (23)

1.一种光脉冲源(100)，适于产生重复的光脉冲(1)，包括：
-用于提供CW激光(2)的连续波(CW)激光装置(10)，
-光波导(20)，与所述CW激光装置(10)光学耦合，
-光微谐振器(30)，所述光微谐振器(30)由具有三阶(克尔)非线性和异常谐振器色散的谐振器材料制成，其中，所述CW激光装置(10)和所述光微谐振器(30)被布置在公共芯片基板装置(40)上，以用于将所述CW激光(2)经由所述光波导(20)耦合到所述光微谐振器(30)中，所述光微谐振器(30)在所述CW激光装置(10)的预定输出频率处能够包括处于孤子状态的光场，使得可以将孤子形脉冲耦合出所述光微谐振器(30)以用于提供所述重复光学脉冲(1)；以及
-调谐装置(50)，用于调整所述CW激光装置(10)的输出频率；
其特征在于：
-所述CW激光装置(10)包括基于芯片的半导体激光器(11)，
-所述光微谐振器(30)和所述光波导(20)中的至少一个适于将光的光反馈部分(3)反射回所述半导体激光器(11)，所述半导体激光器(11)能够通过所述光反馈部分(3)的效应提供相对于所述光微谐振器(30)的谐振频率的自注入锁定，以及
-所述调谐装置(50)被布置用于调谐所述半导体激光器(11)的驱动电流和温度中的至少一者，使得光微谐振器(30)能够提供孤子状态。
2.根据权利要求1所述的光脉冲源，其中，
所述半导体激光器(11)的线宽范围为10cm-1到500cm-1。
3.根据前述权利要求之一的光脉冲源，其中，
所述半导体激光器(11)包括单模激光二极管。
4.根据权利要求1或2所述的光脉冲源，其中，
所述半导体激光器(11)包括多频激光二极管。
5.根据前述权利要求之一的光脉冲源，其中，
所述公共芯片基板装置(40)包括承载所述半导体激光器(11)和光微谐振器(30)的整体芯片基板。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的光脉冲源，其中，
所述公共芯片基板装置(40)包括具有承载所述半导体激光器(11)的第一芯片和承载所述光微谐振器(30)的第二芯片的混合芯片衬底，其中，所述第一芯片和所述第二芯片彼此接合。
7.根据前述权利要求之一的光脉冲源，其中，
所述调谐装置(50)被布置用于设置所述半导体激光器(11)的第一操作条件，其中，所述半导体激光器(11)与所述光微谐振器(30)之间的自注入锁定被提供；并且设置所述半导体激光器(11)的第二操作条件，其中，所述光微谐振器(30)中的所述光场的所述孤子状态被提供。
8.根据权利要求7所述的光脉冲源，还包括：
传感器装置(60)，用于检测所述半导体激光器(11)的所述第一操作条件和所述第二操作条件。
9.根据权利要求8所述的光脉冲源，其中，
所述传感器装置(60)被布置用于监测所述光微谐振器(30)的输出功率。
10.根据前述权利要求之一的光脉冲源，其中，
所述光波导(20)不包括频率滤波器部分。
11.根据前述权利要求之一的光脉冲源，其中，所述调谐装置(50)被布置成用于控制所述半导体激光器(11)的温度，其中，所述调谐装置(50)包括用于控制所述半导体激光器(11)的温度。
调谐装置(50)包括被布置成用于设置所述芯片基板装置(40)的CW激光装置承载部分的温度的加热元件。
12.根据前述权利要求之一的光脉冲源，其中，
在所述光微谐振器(30)和位于所述光微谐振器(30)的输出侧的所述光波导(20)的至少一个中包括被配置用于将光的所述光反馈部分(3)反射回所述半导体激光器(11)的反射结构。
13.根据权利要求12所述的光脉冲源，其中，
所述反射结构包括在所述光微谐振器(30)和所述光波导(20)中的所述至少一个处产生的光栅或凹陷结构中的至少一个。
14.一种光脉冲生成方法，包括生成重复的光脉冲(1)，包括以下步骤：
-利用连续波(CW)激光装置(10)产生CW激光(2)；
-将所述CW激光(2)经由光波导(20)光学耦合到由谐振器材料制成的光微谐振器(30)中，所述谐振器材料具有三阶(克尔)非线性和异常谐振器色散，其中所述CW激光装置(10)和所述光微谐振器(30)被布置在公共芯片基板上；
-调整所述CW激光装置(10)的输出频率，使得在所述CW激光装置(10)的预定输出频率处，所述光微谐振器(30)产生处于孤子状态的光场；以及
-将孤子成形脉冲耦合出所述光微谐振器(30)以提供所述重复的光脉冲(1)；
其特征在于，
-所述CW激光装置(10)包括基于芯片的半导体激光器(11)；
-光的光反馈部分(3)从所述光微谐振器(30)和所述光波导(20)中的至少一个反射所述回半导体激光器(11)；
-所述半导体激光器(11)通过所述光反馈部分(3)的效应提供相对于所述光微谐振器(30)的谐振频率的自注入锁定；以及
-调节步骤包括调节所述半导体激光器(11)的驱动电流和温度中的至少一个，使得所述光微谐振器(30)产生处于状态的光场。
15.根据权利要求14所述的光脉冲产生方法，其中，
所述CW激光(2)的线宽范围为10cm-1到500cm-1。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的光脉冲生成方法，其中，
所述CW激光(2)包括单模激光。
17.根据权利要求16所述的光脉冲产生方法，其中，
所述CW激光(2)包括具有在100kHz到5MHz范围内线宽的单模激光。
18.根据权利要求14或15中任一项所述的光脉冲生成方法，其中，
所述CW激光(2)包括多频激光。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的光脉冲生成方法，其中，
所述调节步骤包括设置所述半导体激光器(11)的第一操作条件，其中，提供所述半导体激光器(11)和所述光微谐振器(30)之间的自注入锁定；以及设置所述半导体激光器(11)的第二操作条件，其中，所述光微谐振器(30)中的所述光场的所述孤子状态被提供。
20.根据权利要求19所述的光脉冲产生方法，还包括以下步骤：
-检测所述半导体激光器(11)的所述第一操作条件和所述第二操作条件。
21.根据权利要求20所述的光脉冲产生方法，其中，
所述检测步骤包括监测所述光微谐振器(30)的输出功率。
22.根据权利要求14-21中任一项所述的光脉冲生成方法，其中，
将所述CW激光(2)经由光波导(20)光学耦合到所述光微谐振器(30)中的步骤不包括在所述光波导(20)的一部分中的频率滤波。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的光脉冲生成方法，其中，
所述调节步骤包括通过利用加热元件设定CW激光装置的温度来控制所述半导体激光器(11)的温度，所述CW激光装置承载所述芯片基板装置(40)的一部分。
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