CN113917762B - 一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法。本发明利用铌酸锂晶体的光折变效应，自发的启动及改变微环谐振频率和泵浦激光频率之间的相对失谐量，并最终将其锁定于单孤子态光学微梳的存活区。同时利用铌酸锂晶体的高速电光相位调制特性，保证单孤子态光学微梳的确定性产生。本发明由频率固定的泵浦激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、透镜光纤、薄膜铌酸锂芯片、光学频谱分析仪、光电探测器、电学频谱分析仪连接实现。本发明利用低功率、固定频率的连续激光源，自启动地、确定性地产生单孤子态光学微梳，无需传统方法中所必需的高成本扫频光源、复杂的启动操作和反馈控制等，其在诸多领域具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学、非线性频率转换、基于微腔的光学频率梳产生，具体涉及一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法。
背景技术
光学频率梳作为一种优越的相干宽带激光源以及精确的频率标尺，其产生及应用在近十多年来吸引了许多科学家与科研单位的关注。在各种产生光学频率梳的机制方法中，基于光学微腔的克尔光频梳具有结构小巧、可集成、泵浦功率低、光谱带宽大等诸多优点，因而成为近年来光频梳领域的研究热点，尤其是自2014年洛桑联邦理工学院的Kippenberg课题组实验证实了耗散克尔孤子的存在后。当耗散克尔孤子形成时，意味着光频梳的各个梳齿实现相位锁定，此时的光频梳具有极好的相干性。这种基于微腔中孤子态的频率梳也称为孤子态光学微梳。
孤子态光学微梳已在多个材料平台实现，包括氮化硅、氟化镁、硅、高折射率玻璃、氮化铝、铌酸锂等，并在天文学、计量学、光谱学、光通信、量子光学等诸多领域发挥着重要作用。
在孤子态光学微梳的产生过程中，微腔的热光效应，包括热折射率效应和热膨胀效应，将导致热双稳态，该热双稳态使得泵浦频率很难稳定在微腔的有效红失谐区，也就是孤子态存活区。尽管已报道有几种方法用于克服微腔的热不稳定性影响，包括泵浦扫频速率调控、两步泵浦功率调节、采用辅助激光进行热补偿等方法，但这些方法通常需要复杂的外部控制系统以及精确的参数调节。无需这些繁杂的启动与反馈控制，直接一键打开泵浦激光器即能产生孤子态光学微梳，该方式称为启钥式。启钥式孤子态光学微梳于小型化、全集成光梳源而言，具有极大的研究与应用价值。
此外，在传统扫频过程中，尽管可以获得孤子态光学微梳，但由于扫频过程中，腔内光场经历了混沌态，其最终产生的孤子微梳的孤子个数是随机的。然而，在实际应用中，更希望产生的是单孤子态光学微梳，因为单孤子态光学微梳具有光滑的光谱包络以及单一的孤子时域周期。因此，确定性地产生单孤子态光学微梳于实际应用而言也具有重要意义。
最近几年，薄膜铌酸锂(也称绝缘体上铌酸锂)作为一种多功能材料平台，受到了业界的广泛关注。薄膜铌酸锂具有透明窗口大(0.4～5μm)、同时具有二阶和三阶非线性效应、光场束缚好等优点，兼具电光效应、热光效应、光弹效应、压电效应等诸多效应。基于此平台，科研人员们研发出了诸多优越的功能性器件，包括高速电光调制器、声光调制器、掺稀土离子波导放大器、孤子微梳源等。作为铌酸锂材料的特有效应之一，光折变效应也引起了一定的关注。由于光折变效应具有类似于负热光效应的特点，使得薄膜铌酸锂上启钥式孤子态光学微梳的产生成为可能。此外，对泵浦进行相位调制可以确定性产生单孤子态光学微梳，而高速相位调制正是薄膜铌酸锂的优势之一。因此，两者结合，可以实现启钥式单孤子态光学微梳的确定性产生。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法。本发明利用光折变效应，可以启钥式地产生孤子态光学微梳；通过对泵浦进行相位调制，可以实现单孤子态光学微梳的确定性产生。
本发明产生方法由频率固定的泵浦激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、透镜光纤、薄膜铌酸锂芯片、光学频谱分析仪、光电探测器、电学频谱分析仪以及连接他们的单模光纤所实现。泵浦激光器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端通过单模光纤连接；掺铒光纤放大器的输出端与偏振控制器的输入端通过单模光纤连接；偏振控制器的输出端与透镜光纤的输入端通过单模光纤连接；透镜光纤的输出端通过端面耦合，将光场耦合至薄膜铌酸锂芯片的耦合输入波导的输入端；在薄膜铌酸锂芯片上，耦合输入波导的输出端与高速相位调制器的输入端连接，高速相位调制器的输出端与偏振旋转器的输入端通过传输波导连接，偏振旋转器的输出端与耦合输出波导的输入端连接，耦合输出波导与微环谐振腔相互靠近，产生耦合；光场从薄膜铌酸锂芯片上的耦合输出波导的输出端输出，通过端面耦合到透镜光纤的输入端；透镜光纤的输出端与单模光纤的输入端连接；单模光纤的输出端通过光纤耦合一分为三个端口；这三个端口分别与光学频谱分析仪、光电探测器、电学频谱分析仪的输入端连接。
所述的薄膜铌酸锂芯片基于X-切的绝缘体上铌酸锂平台，其基底为铌酸锂或硅，掩埋氧化物层为二氧化硅，覆盖层为空气；由于工艺加工的原因，波导侧壁存在一个倾斜角；在光场模式为TE基模且采用行波电极进行调制的情况下，可以实现高速的相位调制；在光场模式为TM基模时，由于铌酸锂寻常光折射率的热光系数在室温下几乎为零，孤子态光学微梳的产生可以几乎不受热光效应的影响。
所述的掺铒光纤放大器用于放大泵浦激光器的功率，使其满足产生孤子态光学微梳的功率阈值；若泵浦激光器功率足够大，则也可无需此掺铒光纤放大器。
所述的偏振控制器用于控制光场在透镜光纤输出端的偏振态；当光场从透镜光纤的输出端通过端面耦合至薄膜铌酸锂芯片的耦合输入波导的输入端时，只激发波导中的TE基模，而不会激发TM基模或TE、TM的高阶模。
所述的薄膜铌酸锂芯片上的偏振旋转器，用于将来自于高速相位调制器的TE基模旋转为TM基模；该偏振旋转器的实现，可先利用渐变波导，将TE基模转化为TM一阶模，然后再利用非对称定向耦合器将TM一阶模转化为TM基模；该偏振旋转器也可以利用两段相连的U型波导实现。
所述的薄膜铌酸锂芯片上的微环谐振腔具有较高的品质因子以及在泵浦波长处具有反常色散特性，以用于产生孤子态光学微梳；孤子态光学微梳光场基于波导的TM基模以忽略热光效应的影响；微环谐振腔与耦合输出波导间满足临界耦合的状态，即光场在微环谐振腔中传输一圈的损耗等于微环谐振腔的耦合损耗。
所述的光学频谱分析仪用于检测和记录所产生的孤子态光学微梳的频域结果；光电探测器用于检测和记录所产生的孤子态光学微梳的波形及能量结果；电学频谱分析仪用于检测和记录所产生的孤子态光学微梳的噪声特性，从而判定其相干性的优劣。
本发明提出，利用薄膜铌酸锂的光折变效应，可以实现启钥式孤子态光学微梳的产生，从而无需昂贵且笨重的扫频激光器，只需要一个频率固定的连续光激光器；利用薄膜铌酸锂的高速相位调制特性，可以确定性地产生单孤子，而不是随机的孤子数；将基于光折变的启钥式孤子态光学微梳的产生与高速的相位调制相结合，可以在薄膜铌酸锂平台上实现启钥式且确定性的单孤子态光学微梳产生。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用了X-切的薄膜铌酸锂平台，该平台具有透明窗口大、电光系数大等优点；对于TE基模，利用行波电极可以对泵浦激光进行高速的相位调制；对于TM基模，由于铌酸锂寻常光的热光系数在室温下几乎为零，使得孤子态光学微梳的产生可以几乎不受热光效应的影响；
(2)本发明利用了薄膜铌酸锂的光折变效应来达到启钥式产生孤子态光学微梳的目的，从而避免了使用昂贵且笨重的扫频激光器以及复杂的外部控制系统，而只需要一个频率固定的连续光泵浦激光器；
(3)本发明利用了X-切薄膜铌酸锂调制器对泵浦激光进行高速的相位调制，从而可确定性地产生单孤子态光学微梳，而不是孤子个数随机的孤子态光学微梳；在同一个薄膜铌酸锂芯片上同时集成该高速相位调制器与微环谐振腔，将启钥式操作与高速相位调制相结合，可以实现启钥式且确定性的单孤子态光学微梳产生；
综上所述，本发明可以利用低功率、固定频率的连续激光器，启钥式地、确定性地产生单孤子态光学微梳，无需传统方法中所必需的高成本扫频光源、复杂的启动操作和反馈控制等，其在频率计量、光谱学、光通信、激光雷达、量子光学等诸多领域具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法示意图。
图2是薄膜铌酸锂芯片上的结构示意图。
图3是薄膜铌酸锂芯片上高速相位调制器的结构示意图。
图4是薄膜铌酸锂芯片上波导的截面示意图。
图5是经相位调制后泵浦的时域结果。
图6是经相位调制后泵浦的频域结果。
图7是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生的时域演化图。
图8是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生的最终时域结果。
图9是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生的最终频域结果。
具体实施方式
下面结合附图和一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法的实施实例对本发明做进一步的说明。
如图1所示是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法示意图。频率固定的泵浦激光器1的输出端与掺铒光纤放大器3的输入端通过第一单模光纤2连接；掺铒光纤放大器3的输出端与偏振控制器5的输入端通过第二单模光纤4连接；偏振控制器5的输出端与透镜光纤7的输入端通过第三单模光纤6连接；第一透镜光纤7的输出端通过端面耦合，将光场耦合至薄膜铌酸锂芯片8的耦合输入波导17的输入端；光场从薄膜铌酸锂芯片上的耦合输出波导21的输出端输出，通过端面耦合到第二透镜光纤9的输入端；第二透镜光纤9的输出端与第四单模光纤10的输入端连接；第四单模光纤10的输出端通过光纤耦合一分为三，其输出端口分别与第五单模光纤11、第六单模光纤12、第七单模光纤13的输入端口连接；第五单模光纤11的输出端与光学频谱分析仪14的输入端连接；第六单模光纤12的输出端与光电探测器15的输入端连接；第七单模光纤13的输出端与电学频谱分析仪16的输入端连接。
图2是薄膜铌酸锂芯片上的结构示意图。耦合输入波导17的输出端与高速相位调制器18中的调制波导24的输入端连接；高速相位调制器18中的调制波导24的输出端与偏振旋转器20的输入端通过传输波导19连接；偏振旋转器20的输出端与耦合输出波导21的输入端连接；耦合输出波导21与微环谐振腔22相互靠近，产生耦合。
图3是薄膜铌酸锂芯片上高速相位调制器的结构示意图。光场在调制波导24中传输，调制波导24两侧放置有第一行波电极23、第二行波电极25，用于对调制波导24中的光场进行高速的相位调制。
图4是薄膜铌酸锂芯片上波导的截面示意图。该薄膜铌酸锂芯片基于X-切的绝缘体上铌酸锂平台，基底26为铌酸锂或硅，掩埋氧化物层27为二氧化硅，波导层28为铌酸锂薄膜；覆盖层29为空气；由于工艺加工的原因，波导侧壁存在一个倾斜角θ，其通常值为60°。
仿真采用耦合的Luguiato-Lefever方程。其中微环谐振腔内孤子微梳的动力学演化由Luguiato-Lefever方程描述为：
其中，A为腔内光场的慢变包络并用光子数进行了归一化，t为慢变时间，φ为光场在微环谐振腔内走一圈所对应的方位角；δω＝δω0+δωPR为相对失谐量，其中δω0为初始相对失谐量；δωPR＝gEEsp为光折变效应导致的失谐量，其中gE为电光耦合系数，Esp为光折变效应产生的空间电荷场；κ＝ω0/Q为微环谐振腔的总损耗速率，其中ω0为泵浦激光的频率，Q为考虑微环本征损耗和耦合损耗的品质因子；η为泵浦光在微环谐振腔内走一圈的过程中，微环谐振腔耦合导致的损耗与总损耗的比值；g为归一化的克尔非线性系数；D2为二阶色散系数，其与群速度色散β2存在一定的转化关系；Pin为泵浦激光功率；为约化普朗克常量。由光折变效应产生的空间电荷场Esp与Luguiato-Lefever方程相互耦合，其动力学由激发-弛豫过程描述为：
其中，Γsp为空间电荷场的弛豫速率，ηsp为光产生系数，Pave为微环谐振腔内一圈的平均功率。由于光折变效应导致的失谐量δωPR与空间电荷场Esp有关，而Esp又与腔内平均功率Pave有关，因而在腔内光场演化过程中，δωPR会自动演化，因此相对失谐量δω也会自动演化，从而无需外部对泵浦激光进行频率扫描。
在仿真计算中，假设微环谐振腔22在泵浦波长处的群速度色散为β2＝-40ps2/km，品质因子为Q＝2×106，自由频谱范围为FSR＝100GHz，这在实际工艺中易于实现；相对而言，群速度色散β2越小越好，同时品质因子Q越高越好。泵浦激光器的功率为Pin＝0.2W，泵浦激光器的频率比微环谐振腔的某一谐振峰频率大1GHz(即蓝端失谐)；光折变效应的激发-弛豫方程中，空间电荷场的弛豫速率取为Γsp＝125KHz，光产生系数取为ηsp＝3.91×1010Hz·V/(m·W)，电光耦合系数取为gE＝2.55×104Hz·m/V，该值根据已有实验结果选取；相位调制为正弦型响应，调制频率与微腔的FSR同步，调制深度为π/2。
本发明利用薄膜铌酸锂芯片的光折变效应，自发地改变微环谐振腔的频率与泵浦激光频率的相对失谐量，从而达到启钥式产生孤子态光学微梳的目的；通过对泵浦激光进行高速相位调制，可以确定性产生单孤子态光学微梳；将启钥式操作与高速相位调制相结合，可以实现启钥式且确定性的单孤子态光学微梳产生。
图5、6分别是经相位调制后泵浦激光的时域、频域结果。于时域结果而言，相位调制泵浦激光的时域强度几乎没有影响；于频域结果而言，相位调制会导致泵浦能量向两侧的边带转移。
图7是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生的时域演化图。腔内光场自启动后，首先经过混沌态，然后产生多孤子态；产生的多孤子态，在相位调制的作用下，向最大相位点处汇聚(相位调制会产生势阱效果)，并在移动过程中碰撞和湮灭，最终只剩下一个孤子稳定于相位最大值处，实现单孤子态的确定性产生。
图8是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生的最终时域结果。可以清晰地看到时域内单孤子的存在，该单孤子的半高全宽约为23飞秒。
图9是一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生的最终频域结果。可以清晰地看到频域包络非常光滑，这正是单孤子态光学微梳的特点；此外，由于相位调制导致泵浦能量向泵浦两侧的边带转移，泵浦能量减弱，一些边带得到了加强。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于：该方法利用薄膜铌酸锂芯片的光折变效应，自发的启动及改变微环谐振腔的频率和泵浦激光频率之间的相对失谐量，并最终将相对失谐量锁定于孤子态光学微梳的存活区；同时利用薄膜铌酸锂芯片的高速电光相位调制器，保证单孤子态光学微梳的确定性产生；
该产生方法由频率固定的泵浦激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、透镜光纤、薄膜铌酸锂芯片、光学频谱分析仪、光电探测器、电学频谱分析仪以及连接他们的单模光纤所实现；频率固定的泵浦激光器(1)的输出端与掺铒光纤放大器(3)的输入端通过第一单模光纤(2)连接；掺铒光纤放大器(3)的输出端与偏振控制器(5)的输入端通过第二单模光纤(4)连接；偏振控制器(5)的输出端与透镜光纤(7)的输入端通过第三单模光纤(6)连接；第一透镜光纤(7)的输出端通过端面耦合，将光场耦合至薄膜铌酸锂芯片(8)的耦合输入波导(17)的输入端；光场从薄膜铌酸锂芯片(8)的耦合输出波导(21)的输出端输出，通过端面耦合到第二透镜光纤(9)的输入端；第二透镜光纤(9)的输出端与第四单模光纤(10)的输入端连接；第四单模光纤(10)的输出端通过光纤耦合一分为三，其输出端口分别与第五单模光纤(11)、第六单模光纤(12)、第七单模光纤(13)的输入端口连接；第五单模光纤(11)的输出端与光学频谱分析仪(14)的输入端连接；第六单模光纤(12)的输出端与光电探测器(15)的输入端连接；第七单模光纤(13)的输出端与电学频谱分析仪(16)的输入端连接；耦合输入波导（17）的输出端与高速相位调制器（18）中的调制波导（24）的输入端连接；高速相位调制器（18）中的调制波导（24）的输出端与偏振旋转器（20）的输入端通过传输波导（19）连接；偏振旋转器（20）的输出端与耦合输出波导（21）的输入端连接；耦合输出波导（21）与微环谐振腔（22）相互靠近，产生耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于所述的薄膜铌酸锂芯片基于X-切的绝缘体上铌酸锂平台，基底(26)为铌酸锂或硅，掩埋氧化物层(27)为二氧化硅，波导层(28)为铌酸锂薄膜；覆盖层(29)为空气；由于工艺加工的原因，波导侧壁存在一个倾斜角θ，其值为60°。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于当光场模式为TE基模且采用行波电极进行调制时，能够实现高速的相位调制；当光场模式为TM基模时，由于铌酸锂寻常光折射率的热光系数在常温下几乎为零，光学微梳的产生几乎不受热光效应的影响。
4.根据权利要求3所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于：所述的掺铒光纤放大器(3)用于放大泵浦激光器(1)的功率，使其满足产生孤子态光学微梳的功率阈值；若泵浦激光器(1)功率足够大，则也可无需此掺铒光纤放大器(3)。
5.根据权利要求3所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于：所述的偏振控制器(5)用于控制光场在第一透镜光纤(7)输出端的偏振态；当光场从第一透镜光纤(7)的输出端通过端面耦合至薄膜铌酸锂芯片(8)的耦合输入波导(17)的输入端时，只激发波导中的TE基模，而不会激发TM基模或TE、TM模式的高阶模。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于：所述的薄膜铌酸锂芯片(8)上的偏振旋转器(20)，用于将来自于高速相位调制器(18)的TE基模旋转为TM基模；该偏振旋转器的实现：先利用渐变波导，将TE基模转化为TM一阶模，然后再利用非对称定向耦合器将TM一阶模转化为TM基模；该偏振旋转器也能够利用两段相连的U型波导实现。
7.根据权利要求6所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于：所述的薄膜铌酸锂芯片(8)上的微环谐振腔(22)具有较高的品质因子以及在泵浦波长处具有反常色散特性，以用于产生孤子态光学微梳；孤子态光学微梳光场基于波导的TM基模以忽略热光效应的影响；微环谐振腔(22)与耦合输出波导(21)间满足临界耦合的状态，即光场在微环谐振腔(22)中传输一圈的损耗等于微环谐振腔(22)的耦合损耗。
8.根据权利要求7所述的一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法，其特征在于所述的光学频谱分析仪(14)用于检测和记录所产生的孤子态光学微梳的频域结果；光电探测器(15)用于检测和记录所产生的孤子态光学微梳的波形及能量结果；电学频谱分析仪(16)用于检测和记录所产生的孤子态光学微梳的噪声特性，从而判定其相干性的优劣。
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