CN113703246A - 基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法 - Google Patents

基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法，可调谐激光器发射出预设波长和功率的泵浦光，经过光纤放大器调节功率后输入到偏振控制器，偏振控制器将泵浦光的偏振态调节为与负热光系数微环谐振腔的设计偏振模式相一致，经过可调谐光衰减器，控制泵浦光进入负热光系数微环谐振腔；设置泵浦光在谐振峰频率附近进行频率调谐，随着微环谐振腔内部快速热量累积，负热光系数微环谐振腔的谐振峰出现蓝移效应，呈现出谐振峰蓝失谐处能量变化陡峭，红失谐处能量变化缓慢。通过使用本发明，实现高效率的孤子频梳自产生，且频梳的稳定性更高。本发明可广泛应用于光电技术领域。

Description

基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法。
背景技术
光学频率梳由一系列等间隔且相位锁定的光频率组成，其在光谱上表现为梳状光谱，时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场震荡包络。光学频率梳因其在频率和时间上高精度、高分辨率和高精准性的优点，在光学原子钟、化学探测、相干光通信、光学雷达测距等领域都有着极其重要的应用。基于微谐振腔的光学频率梳由光学谐振微腔的克尔非线性产生，具有极小的体积和功耗，有希望实现功耗更低的芯片级集成化光学频率梳。
目前的产生孤子频梳的方法为泵浦光从谐振峰的蓝移方向进入微环谐振腔中，随着微环谐振腔中泵浦光功率逐步增大，依次得到图灵光频梳、调制不稳定性光频梳和孤子光频梳。然而，目前用于制备微环谐振腔的平台主要是正热光系数材料，并且具有较强的热光效应。这导致在光频梳产生过程中，微环谐振腔的蓝失谐处能量变换较缓，而红失谐处能量变化陡峭迅速，这使得泵浦波长进入红失谐处谐振峰内能量变化剧烈，而且红失谐处孤子产生区域较短，很难锁定，造成了目前光孤子频梳快速产生难、稳定性差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法，实现高效率的孤子频梳自产生，且频梳的稳定性更高。
一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生方法，包括：
可调谐激光器发射出预设波长和功率的泵浦光，经过光纤放大器调节功率后输入到偏振控制器，偏振控制器将泵浦光的偏振态调节为与负热光系数微环谐振腔所设计的偏振模式相一致，经过可调谐光衰减器，控制泵浦光进入负热光系数微环谐振腔；
设置泵浦光在谐振峰频率附近进行频率调谐，随着微环谐振腔内部快速热量累积，负热光系数微环谐振腔的谐振峰出现蓝移效应，呈现出谐振峰蓝失谐处能量变化陡峭，红失谐处能量变化缓慢；
当激光频率从谐振峰的红失谐处进入微环谐振腔，此时红失谐区由于微腔的负热光效应可实现失谐量的自热锁定，保证泵浦光可以稳定存在于微腔的红失谐区，该失谐量同时满足耗散克尔孤子的激发条件，从而能够稳定快速地产生孤子频率梳。
一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，包括：
可调谐激光器、光纤放大器、偏振控制器、负热光系数微环谐振腔、可调谐光衰减器、光谱分析仪、示波器和电信号分析仪；
所述可调谐激光器、光纤放大器、偏振控制器、负热光系数微环谐振腔和可调谐光衰减器通过单模光纤依次连接，所述可调节谐光衰减器分别与光谱分析仪、示波器和电信号分析仪连接。
进一步，所述负热光系数微环谐振腔包括微环谐振腔、直波导和滑轮耦合区，所述微环谐振腔和直波导通过滑轮耦合区进行光场耦合。
进一步，所述微环谐振腔和直波导均包括负热光系数硫系材料包层、低热光系数硫系材料芯层和包括但不限于硅、石英、铌酸锂、氟化钙等材料所组成的衬底，所述衬底上设有负热光系数硫系材料包层与低热光系数硫系材料芯层，所述负热光系数硫系材料包层将芯层覆盖并与衬底连接，所述负热光系数硫系材料包层的折射率和衬底材料的折射率均小于芯层折射率。
进一步，直波导的输入端口和输出端口均设有倒锥形波导耦合器，用于接收泵浦光和输出产生的光频梳。
进一步，所述负热光系数硫系材料组分为AsxS100-x(5≤x≤35)或AsxSe100-x(5≤x≤35),所述低热光系数硫系材料组分为GexSb10S90-x(5≤x≤35)。
进一步，所述微环谐振腔的品质因子需大于10^5。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明引入负热光系数硫系微腔作为孤子光频梳产生的核心器件，通过微腔自身的负热光效应，调控谐振峰的热失谐曲线，并有效增加孤子频率梳产生区域，促进孤子频率梳快速、稳定产生。与常规的频梳产生方法相比，本发明可更稳定、快速的锁定孤子频梳的泵浦频率，实现孤子频梳的自产生，且产生效率更高，频梳的稳定性更高。
附图说明
图1是本发明具体实施例一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统的结构示意图；
图2是本发明具体实施例负热光系数补偿微环谐振腔的示意图；
图3是本发明具体实施例放大状态下滑轮耦合区的示意图；
图4是本发明具体实施例负热光包层剖面示意图；
图5是本发明具体实施例负热光谐振峰漂移示意图；
图6是本发明具体实施例负热光孤子存在区域示意图。
附图标记：1、微环谐振腔；2、直波导；3、负热光包层；4、硫系材料；5、衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生方法，包括：
可调谐光器发射出预设波长和功率的泵浦光，经过光纤放大器调节功率后输入到偏振控制器，偏振控制器将泵浦光的偏振态调节为与负热光系数微环谐振腔的设计偏振模式相一致，经过可调谐光衰减器，控制泵浦光进入负热光系数微环谐振腔；
设置泵浦光在谐振峰频率附近进行频率调谐，随着微环谐振腔内部快速热量累积，负热光系数微环谐振腔的谐振峰出现蓝移效应，呈现出谐振峰蓝失谐处能量变化陡峭，红失谐处能量变化缓慢；
当激光频率从谐振峰的红失谐处进入微环谐振腔，此时红失谐区由于微腔的负热光效应可实现失谐量的自热锁定，保证泵浦光可以稳定存在于微腔的红失谐区，该失谐量同时满足耗散克尔孤子的激发条件，从而能够稳定快速的产生孤子频率梳。
如图1所示，本发明提供了一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，包括：
可调谐激光器、光纤放大器、偏振控制器、负热光系数微环谐振腔、可调谐光衰减器、光谱分析仪、示波器和电信号分析仪；
所述可调谐激光器、光纤放大器、偏振控制器、负热光系数微环谐振腔和可调谐光衰减器通过单模光纤依次连接，所述可调节谐光衰减器分别与光谱分析仪、示波器和电信号分析仪连接。
具体地，所述光纤放大器或者为拉曼光纤放大器；所述偏振控制器为光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器；所述温度调节器为半导体制冷器或者表面金属加热器。
进一步作为本发明的优选实施例，所述负热光系数微环谐振腔包括微环谐振腔、直波导和滑轮耦合区，所述微环谐振腔和直波导通过滑轮耦合区进行光场耦合。
具体地，负热光系数微环谐振腔示意图参照图2，滑轮耦合区示意图参照图3。
进一步作为本发明的优选实施例，所述微环谐振腔和直波导均包括负热光系数硫系材料包层、低热光系数硫系材料芯层和包括但不限于硅、石英、铌酸锂、氟化钙等材料所组成的衬底，所述衬底上设有负热光系数硫系材料包层与低热光系数硫系材料芯层，所述包层将芯层覆盖并与衬底连接，所述包层的折射率和衬底材料的折射率均小于芯层材料折射率。
进一步作为本发明的优选实施例，直波导的输入端口和输出端口均设有倒锥形波导耦合器，用于接收泵浦光和输出产生的光频梳。
进一步作为本发明优选实施例，所述负热光系数硫系材料组分为As25S75或As20Se80。
进一步作为本发明优选实施例，所述微环谐振腔的品质因子需大于10^5。
负热光结构参照图4，波导结构利用低热光系数Ge25Sb10S65材料作为芯层材料，具有更低的本征热光系数；波导结构利用负热光系数As25S75或As20Se80材料作为包层材料，实现器件的负有效热光系数。
所述负热光系数硫系材料包层用于调控器件有效热光系数至负值；
所述滑轮耦合区用于与直波导与微环谐振腔通过倏逝波进行光场耦合。
具体地，负热光系数微环谐振腔经过结构设计，采用负热光系数包裹补偿方案，呈现为负有效热光系数，利用负热光系数硫系材料As25S75或As20Se80作为包层，将微环谐振腔的有效热光系数调控至负值，同时保持良好的芯层和包层的界面结合结构。
在可调谐激光进行扫频过程中，由于微环谐振腔为负热光系数，在扫频过程中谐振峰会由于热光效应的作用，谐振峰自发发生蓝移，谐振峰漂移趋势参照图5，分别为正热光、负热光谐振峰随温度变化的漂移趋势，对于负热光系数调控器件，随着温度上升，谐振峰自发发生蓝移，可快速而稳定地使泵浦光锁定在谐振腔的红失谐区，从而自启动并使孤子频梳稳定存在，负热光调控后孤子存在区域参照图6，利用负热光系数的微环谐振腔，可显著拓宽孤子存在区域，实现孤子频梳的更稳定存在。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生方法，其特征在于，包括：
可调谐激光器发射出预设波长和功率的泵浦光，经过光纤放大器调节功率后输入到偏振控制器，偏振控制器将泵浦光的偏振态调节为与负热光系数微环谐振腔的偏振模式相一致，经过可调谐光衰减器，控制泵浦光进入负热光系数微环谐振腔；
设置泵浦光在负热光系数微环谐振腔的谐振峰频率附近进行频率调谐，随着微环谐振腔内部快速热量累积，负热光系数微环谐振腔的谐振峰出现蓝移效应，呈现出谐振峰蓝失谐处能量变化陡峭，红失谐处能量变化缓慢；
当激光频率从谐振峰的红失谐处进入微环谐振腔，此时红失谐区由于微腔的负热光效应可实现失谐量的自热锁定，保证泵浦光可以稳定存在于微腔的红失谐区，该失谐量同时满足耗散克尔孤子的激发条件，从而能够稳定快速的产生孤子频率梳。
2.基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，包括：
可调谐激光器、光纤放大器、偏振控制器、负热光系数微环谐振腔、可调谐光衰减器、光谱分析仪、示波器和电信号分析仪；
所述可调谐激光器、光纤放大器、偏振控制器、负热光系数微环谐振腔和可调谐光衰减器通过单模光纤依次连接，所述可调节谐光衰减器分别与光谱分析仪、示波器和电信号分析仪连接。
3.根据权利要求2所述一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，所述负热光系数微环谐振腔包括微环谐振腔、直波导和滑轮耦合区，所述微环谐振腔和直波导通过滑轮耦合区进行光场耦合。
4.根据权利要求3所述一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，所述微环谐振腔和直波导均从上到下包括包层、芯层和衬底，所述衬底包括但不限于硅、石英、铌酸锂、氟化钙等材料，所述芯层为低热光系数硫系材料，所述包层为负热光系数硫系材料，所述包层将芯层覆盖并与衬底连接，所述包层的折射率和衬底材料的折射率均小于芯层折射率。
5.根据权利要求4所述一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，所述负热光系数硫系材料组分为AsxS100-x(5≤x≤35)或AsxSe100-x(5≤x≤35)，所述低热光系数硫系材料组分为GexSb10S90-x(5≤x≤35)。
6.根据权利要求4所述一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，所述直波导上设有输入端口和输出端口，泵浦光信号从输入端口进入直波导，耦合进入微环谐振腔发生非线性效应，进而产生光频梳信号并耦合直波导，最终从输出端口输出。
7.根据权利要求6所述一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，直波导的输入端口和输出端口均设有倒锥形波导耦合器，用于接收泵浦光和输出产生的光频梳。
8.根据权利要求4所述一种基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统，其特征在于，所述微环谐振腔的品质因子大于10^5。
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