CN114035391A - 基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置和方法，旨在解决双微环腔系统难以激发初始光频梳的难题和现有激发手段需要额外的脉冲激光器的缺点。该系统的实验装置包括可调谐连续泵浦激光器、偏振控制器、光放大器、带通滤波器、电光振幅调制器、声光调制器、光耦合器、双微环腔光频梳的产生装置、光隔离器和任意函数产生器，其中双微环腔光频梳的产生装置携带用以调节微环谐振腔温度的加热器或冷却器。采用本发明所提供的系统和方法，能方便地在双微环腔系统中产生光频梳，具有调节方便、易于集成等优点。

Description

基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置和方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及非线性光学与集成光学，具体涉及基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置和方法。
背景技术
光频梳通常可以在锁模飞秒激光器、高速电光调制和受连续波泵浦抽运的非线性微腔中产生。锁模飞秒激光器往往结构复杂且体积庞大，包含许多复杂的精密光学元件，因此其应用被限制在实验室内。虽然通过高速电光调制的方法可以得到稳定性高且可控性强的光频梳，但由于光调制器的带宽和色散难以管控，必然引起光频梳频带较窄的问题。由非线性微腔产生的光频梳又称克尔光频梳或微腔光频梳，其重复频率高、频带宽，最重要的是克尔光频梳的产生装置极其紧凑，微环半径仅在百微米量级，且与现有的CMOS集成工艺相兼容。因此，克尔光频梳在诸如光通信、双梳光谱学、原子钟、天文光谱学和激光测距等诸多领域有相当重要的应用。
产生克尔光频梳非线性微腔的腔内光场状态包括混沌态、Turing模式和孤子态。混沌态频梳的梳齿功率与相位杂乱无章且不稳定，相邻两个梳齿之间的相位差不固定，即在混沌态下的克尔光频梳是非相干的，这会限制它的实际应用。虽然在Turing模式下克尔光频梳稳定且具有很好的相干性，但Turing模式仅在极特殊的色散条件和泵浦功率下才能出现，往往难以受控地产生。单孤子态克尔光频梳的频谱包络光滑，相干性好，极大地拓宽了克尔光频梳的实际应用。
通常，在单微环结构中，通过将泵浦激光从蓝失谐扫描至红失谐，使腔内光场先通过调制不稳产生初始梳，再依次经过混沌态、多孤子态和单孤子态。然而由于较大的泵浦红失谐在单微环结构中产生的单孤子，其泵浦-频梳的功率转换效率往往不到百分之五。而克尔光频梳的频谱宽度超宽，往往具有几百甚至上千根频梳齿。超低的泵浦-频梳功率转换效率和超宽的频梳带宽使得单孤子克尔光频梳的每根频梳齿的功率水平极低，这些都极大地限制了单孤子光频梳的实际应用。
现有技术中提高泵浦-频梳的功率转换效率主要有两种方法。一种方法是用正常色散的微环产生的暗脉冲来代替光孤子。但此时系统的调制不稳也被抑制住了，即正常色散的单微环腔无法自发地产生初始梳。想要在正常色散的单微环腔中产生光频梳，往往需要一个局部的反常色散来激发产生调制不稳，该反常色散可以通过微环谐振腔不同模式簇之间的相互耦合来产生，而不同模式簇之间的相互耦合又极大地受微环制备过程中的制备公差的影响，无法实现人为的精确控制。另一种方法是使用耦合的双环来产生光频梳，其中一个微环作为泵浦循环腔用以提高泵浦利用率，另一个微环作为孤子维持腔。此外，双微环结构除了可以提高泵浦-频梳的转换效率之外，还可以通过双微环之间的相互耦合在正常色散区域内产生光频梳。大部分材料如果不经过色散工程的特殊设计，通常都具有正常色散，因此在正常色散区域内直接产生光频梳能极大地降低色散工程的需求，并有望将克尔光频梳从近红外波段拓展到其它波段。然而，虽然双微环耦合系统在提高泵浦-频梳功率转换效率和拓展频梳谱的频域中有巨大的应用潜力，但是目前往往采用外部注入高峰值的脉冲来激发光孤子，该激发方案额外需要一台脉冲激光器，通过复杂而庞大的脉冲放大技术来调控，这有违于克尔光频梳系统微型紧凑的设计理念。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置和方法，基于非线性光学克尔效应，将泵浦功率调制与泵浦失谐调制相结合。在耦合双微环腔中产生光频梳，无需额外的脉冲激光器并且可以在任意色散条件下工作，有利于应用在大规模集成的芯片级尺寸中。
基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，包括可调谐连续泵浦激光器、偏振控制器、光放大器、带通滤波器、电光振幅调制器、声光调制器、双微环腔发生模块和任意函数发生器。
所述任意函数发生器的输出与可调谐连续泵浦激光器、电光振幅调制器和声光调制器输入连接。所述偏振控制器的输入与可调谐连续泵浦激光器的输出连接，输出与光放大器的输入连接。所述带通滤波器的输入与光放大器的输出连接，输出与电光振幅调制器的输入连接。所述声光调制器的输入与电光振幅调制器的输出连接，声光调制器的输出与双微环腔发生模块的输入连接。可调谐连续泵浦激光器、偏振控制器、光放大器、带通滤波器、电光振幅调制器、声光调制器、任意函数发生器之间通过直波导连接。
作为优选，可调谐连续泵浦激光器选用半导体激光器、分布式反馈激光器或外腔激光器。光放大器为高增益的有源光放大器，选用掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器或受激拉曼光纤放大器等。电光振幅调制器选用马赫-曾德电光振幅调制器，通过交流电进行调制，调制速度为纳秒量级。声光调制器通过直流电进行调制，调制速度为百纳秒级。
双微环腔发生模块包括设置在基底上的第一、第二微环谐振腔、第一、第二直波导和控温装置。其中第一、第二微环谐振腔相互耦合，第一、第二直波导分别与第一、第二微环谐振腔耦合，控温装置设置在微环谐振腔上。与drop端耦合的第二微环谐振腔为非线性。
作为优选，相互耦合的微环谐振腔与直波导采用相同的材质制作，并且横截面面积相等。
作为优选，所述基底为二氧化硅材质，所述包层为空气，两个控温装置独立控制两个谐振腔的温度。
作为优选，基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，还包括光耦合模块、光隔离模块。所述光耦合模块包括第一、第二、第三光耦合器。光隔离模块包括第一、第二光隔离器。可调谐连续泵浦激光器、偏振控制器、光放大器、带通滤波器、电光振幅调制器、声光调制器、任意函数发生器之间通过单模光纤连接。
第一光耦合器将声光调制器的输出耦合到双微环腔发生模块中，第二、第三光耦合器分别将双微环腔发生模块生成的光频梳由双微环腔发生模块的through端和drop端耦合到第一、第二光隔离器。
作为优选，光耦合模块选用光纤透镜等装置。
基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生方法，具体包括以下步骤：
步骤一、通过控温装置控制微环谐振腔的温度，调整微环谐振腔内的折射率，使微环谐振腔处于预设的初始失谐上。将可调谐连续泵浦激光器发出的光经过偏振、放大和滤波处理后，通过调制器对连续泵浦光进行振幅调制后再输入双微环腔发生模块中，使双微环腔发生模块内的光场调制不稳，从而产生混沌态的初始梳。
作为优选，通过调制器对连续泵浦光进行振幅调制，使连续泵浦光的光功率达到5W，再输入双微环腔发生模块中。
步骤二、使用电光振幅调制器和声光调制器逐步降低连续泵浦光功率，使步骤一中的光频梳由混沌态演化为多孤子态。再进一步缓慢降低连续泵浦光功率，使得多微环腔内孤子或暗脉冲数目逐步减少，光频梳由多孤子态演化为单孤子态。
步骤三、再通过控温装置，在多微环腔的孤子态下，将系统失谐频率调整到使70％以上的频梳功率从drop端输出，而从through端输出的频梳功率很小。此时，泵浦光功率将在第一个微环谐振腔中被循环利用，提高泵浦-频梳的功率转换效率。
本发明具有以下有益效果：
本申请提出基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生系统和方法，利用控温装置调节预设双环的失谐，不需要额外的脉冲激光器即可在双环产生光频梳，系统会更加小型紧凑，且能够对双微环腔光频梳产生的动力学过程进行实时的干预，使其顺利进入调制不稳状态从而产生初始梳。利用电光振幅调制器和声光调制器，通过逐步降低耦合进入双微环腔光频梳的产生装置中的泵浦光功率，将系统从混沌态过渡到多孤子态或多暗脉冲态，最终进入到单孤子态或单暗脉冲态，得到稳定的双微环腔相干频梳谱。
附图说明
图1是本申请所述光频梳发生系统的原理图；
图2是实施例1中微型谐振腔内的光功率与连续波稳态光功率对比图。
图3是实施例1的仿真光频梳及其时域图。
图4是实施例2的泵浦功率调制方案与失谐调制方案。
图5是实施例2的仿真光频梳及其时域图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，包括可调谐连续泵浦激光器1、双微环腔发生模块2、偏振控制器3、光放大器4、带通滤波器5、电光振幅调制器6、声光调制器7、任意函数产生器8、第一光耦合器9、第二光耦合器10、第三光耦合器11、第二光隔离器12和第一光隔离器13。可调谐连续泵浦激光器1、双微环腔发生模块2、偏振控制器3、光放大器4、带通滤波器5、电光振幅调制器6、声光调制器7依次通过单模光纤连接。任意函数产生器8的输出通过单模光纤与可调谐连续泵浦激光器1、电光振幅调制器6以及声光调制器7相连。第一光耦合器9将声光调制器7的输出耦合进双微环腔发生模块2中。
双微环腔发生模块2包括第一微环谐振腔201、第二微环谐振腔202、第一直波导203、第二直波导204、第一加热器205和第二加热器206。第一微环谐振腔201与第二微环谐振腔202相互耦合，第一直波导203、第二直波导204分别与第一微环谐振腔201与第二微环谐振腔202耦合。第二光耦合器10将through端207的信号耦合到第一光隔离器13中。第三光耦合器11将drop端208的信号耦合到第二光隔离器12中。
可调谐连续泵浦激光器1为激光光源，用于提供准单色泵浦光，通过调整其发射波长实现对系统失谐状态的调谐。偏振控制器3用于调整单模光纤中光信号的偏振态，使入射到双微环腔发生模块2中的光信号能够准确地激发特定的波导模式。光放大器4为高增益的有源光放大器，可以选用掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器或受激拉曼光纤放大器，用于对偏振调整后的光信号进行初步放大，使得整个系统能够工作在较高的泵浦功率状态；除此以外光放大器4还会放大自发辐射噪声。为了增加最终产生的双环微腔光频梳的信噪比和相干性，设置了极窄带宽的带通滤波器5，其带通带宽可以低至0.8纳米，用于将放大后的光信号恢复为准单色光。电光振幅调制器6选用马赫-曾德电光振幅调制器，通过交流电进行调制，调制速度为纳秒量级，可以对泵浦光功率进行极快速的调节。声光调制器7通过直流电进行调制，调制速度为百纳秒级，可以对泵浦光功率进行相对慢速的调节。
第一光耦合器9将调制后的光信号耦合到第一直波导203中，再将泵浦光信号耦合进入双微环谐振腔系统，双微环谐振腔通过非线性光学克尔效应，将泵浦光频率进行转换，最终产生光频梳。第一微环谐振腔201用以循环泵浦光功率，提高泵浦-频梳的功率转换效率，同时提供色散微扰，令处于正常色散区域的双微环腔发生模块2也能产生光频梳。第二微环谐振腔202用以维持光频梳的状态，尤其是单孤子态或者单暗脉冲态。此外，第一直波导203还负责将第一微环谐振腔中的光频梳信号耦合进入through端207。第二直波导204将第二微环谐振腔202中的光频梳信号耦合进入drop端208。第二光耦合器10把在双微环腔发生模块2中产生的光频梳从through端口207耦合进入到外部的单模光纤中去。第三光耦合器11将在双微环腔发生模块2中产生的光频梳从drop端口208耦合进入到外部的单模光纤中。第一光隔离器13和第二光隔离器12使得光只能单向通过外部的单模光纤，防止反射光进入双微环腔光频梳的产生装置2中影响系统的性能。第一加热器205和第二加热器206分别独立控制第一微环谐振腔201和第二微环谐振腔202的温度，从而独立地对两个微环谐振腔的失谐状态进行有效的控制。使用加热器对微环谐振腔的温度进行控制，可以使微环谐振腔不因腔内光场的加热而产生温度漂移，从而导致光频梳不稳定甚至消失。同时还能控制微环腔的谐振频率，从而独立的控制两个微环腔的失谐状态。
实施例1
本实施例使用的第一微环谐振腔201和第二微环谐振腔202具有相同的尺寸和相同大小的正常色散，且光在两个微环谐振腔中的无量纲化群速度失配达到-300。
在本实施例中，为了达到调制不稳定的形成条件，将泵浦光的无量纲化振幅调制到12，采用扫描失谐方案，将泵浦激光频率从蓝失谐缓慢扫描至恰当的红失谐处。图2为微型谐振腔内的平均无量纲化光功率与作为参考的无量纲化连续波稳态光功率对比，随着泵浦失谐的变化，腔内光场先后经历了连续波稳态，腔内光场功率逐渐上升，达到调制不稳态，腔内光功率发生剧烈抖动，此时可以产生窄带混沌态光频梳，如图3(a)所示。随着失谐的进一步变化，腔内光功率从上分支下降到下分支，重新进入连续波稳态，直到再次发生调制不稳产生宽带混沌态光频梳，如图3(b)所示。当失谐扫描到合适的状态时，光频梳时域波形和光频梳谱趋于稳定，最终获得单暗脉冲态(或称platicon)光频梳，如图3(c)所示。
实施例2
本实施例使用的第一微环谐振腔201和第二微环谐振腔202具有相同的尺寸，相同大小但符号相反的色散，其中第一微环谐振腔201的色散处于正常色散区域，第二微环谐振腔202的色散处于反常色散区域。光在两个微环谐振腔中的无量纲化群速度失配达到-328.07。
在本实施例中，由于两个微环谐振腔的色散符号相反，如果只采用泵浦失谐调制方案无法引发调制不稳，难以产生光频梳，即使产生了光频梳，也难以做到光频梳信号大部分从drop端208输出，达不到通过对泵浦循环利用最终提高泵浦-频梳转换效率的目的。因此采用泵浦功率调制与系统失谐调制方案相结合的方案。如图4(a)和(b)所示，初始时，无量纲化泵浦振幅被调制到10，用加热器205和加热器206分别将第一微环谐振腔201的无量纲化失谐和第二微环谐振腔201的无量纲化失谐调谐到6.55和29.47。此时，系统产生处于混沌态的光频梳，如图5(a)所示。产生混沌态光频梳后，保持系统的失谐量不变，使用电光振幅调制器6和声光调制器7逐步降低耦合进入到双微环腔光频梳的产生装置2中的泵浦光功率，使得腔内光场的状态从混沌态过渡到多孤子态，如图5(b)给出了该过程中产生的双孤子态及其对应的频梳谱。最终，电光振幅调制器6和声光调制器7将无量纲化泵浦振幅降低至2.04，最终获得单孤子状态，加热器205和加热器206分别将第一微环谐振腔201的无量纲化失谐和第二微环谐振腔201的无量纲化失谐调谐到2.88和39.33，使得双微环谐振腔中的光频梳信号大部分从drop端208输出，达到循环利用泵浦光功率以及提高泵浦-频梳的光功率转换效率的目的。
从上述两个具体实施例中可以看到，本申请所提出的基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置和方法，可以根据不同的系统参数以及不同的实际应用场合随时采取合适的光频梳激发方案。整个产生系统不需要额外的脉冲激光器，这大大的简化了系统的复杂性，进一步缩小了系统的几何尺寸，有利于双微环腔光频梳的产生装置的芯片级集成和实际的工程应用。

Claims (9)

1.基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：该产生装置包括可调谐连续泵浦激光器(1)、偏振控制器(3)、光放大器(4)、带通滤波器(5)、电光振幅调制器(6)、声光调制器(7)、双微环腔发生模块(2)和任意函数发生器(8)；
所述任意函数发生器(8)的输出与可调谐连续泵浦激光器(1)、电光振幅调制器(6)和声光调制器(7)的输入连接；所述偏振控制器(3)的输入与可调谐连续泵浦激光器(1)的输出连接，输出与光放大器(4)的输入连接；所述带通滤波器(5)的输入与光放大器(4)的输出连接，输出与电光振幅调制器(6)的输入连接；所述声光调制器(7)的输入与电光振幅调制器(6)的输出连接，声光调制器(7)的输出与双微环腔发生模块(2)的输入连接；上述连接关系通过直波导实现；
双微环腔发生模块(2)包括设置在基底上的第一微环谐振腔(201)、第二微环谐振腔(202)、第一直波导(203)、第二直波导(204)和控温装置；其中两个微环谐振腔相互耦合，第一直波导(203)、第二直波导(204)分别与第一微环谐振腔(201)、第二微环谐振腔(202)耦合，控温装置设置在微环谐振腔上；其中与drop端耦合的微环谐振腔为非线性。
2.如权利要求1所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：可调谐连续泵浦激光器(1)选用半导体激光器、分布式反馈激光器或外腔激光器；光放大器(4)为高增益的有源光放大器(4)，选用掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器或受激拉曼光纤放大器；电光振幅调制器(6)选用马赫-曾德电光振幅调制器(6)，通过交流电进行调制，调制速度为纳秒量级；声光调制器(7)通过直流电进行调制，调制速度为百纳秒级。
3.如权利要求1所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：相互耦合的微环谐振腔与直波导采用相同的材质制作，并且横截面面积相等。
4.如权利要求1所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：所述基底为二氧化硅材质。
5.如权利要求1所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：所述控温装置能够独立控制两个微环谐振腔的温度。
6.如权利要求1所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：该产生装置，还包括光耦合模块和光隔离模块；所述光耦合模块包括第一光耦合器(9)、第二光耦合器(10)和第三光耦合器(11)；光隔离模块包括第一光隔离器(13)和第二光隔离器(12)；可调谐连续泵浦激光器(1)、偏振控制器(3)、光放大器(4)、带通滤波器(5)、电光振幅调制器(6)、声光调制器(7)、任意函数发生器(8)之间通过单模光纤连接；
第一光耦合器(9)将声光调制器(7)的输出耦合到双微环腔发生模块(2)中，第二光耦合器(10)、第三光耦合器(11)分别将双微环腔发生模块(2)生成的光频梳由双微环腔发生模块(2)的through端和drop端耦合到第一光隔离器(13)、第二光隔离器(12)中。
7.如权利要求6所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，其特征在于：光耦合模块选用光纤透镜等装置。
8.基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生方法，其特征在于：该方法使用如权利要求1～7任一所述的基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生装置，具体包括以下步骤：
步骤一、通过控温装置控制分别控制两个微环谐振腔的温度，使双微环谐振腔处于预设的初始失谐上；将可调谐连续泵浦激光器(1)发出的光经过偏振、放大和滤波处理后，对连续泵浦光进行振幅调制后再输入双微环腔发生模块(2)中，使双微环腔发生模块(2)内的光场调制不稳，从而产生混沌态的初始梳；
步骤二、使用电光振幅调制器(6)和声光调制器(7)逐步降低连续泵浦光功率，使步骤一中的光频梳由混沌态演化为多孤子态；再进一步缓慢降低连续泵浦光功率，使得多微环腔内孤子或暗脉冲数目逐步减少，光频梳由多孤子态演化为单孤子态；
步骤三、再通过控温装置，在多微环腔的孤子态下，将系统失谐调整到能使70％以上的频梳功率从drop端输出，而从through端输出的频梳功率很小；此时，泵浦光功率将在第一个微环谐振腔中被循环利用，提高泵浦-频梳的功率转换效率。
9.如权利要求8所述基于功率与失谐调制的双环光频梳的产生方法，其特征在于：步骤一中，通过调制器对连续泵浦光进行振幅调制，使连续泵浦光的光功率达到5W，再输入双微环腔发生模块(2)中。
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