CN114649747A - 一种基于光注入技术的光频梳产生装置 - Google Patents

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杨可
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Abstract

本发明公开了一种基于光注入技术的光频梳产生装置。本发明利用半导体激光器在外部光注入下呈现出的单周期振荡行为特性输出种子光频梳，并使用半导体光放大器的四波混频效应对其性能进行改善。通过调节进入到光注入半导体激光器中的光功率以及两个激光器间的频率差，实现光频梳梳齿间距的调谐，同时利用调制器和半导体光放大器的四波混频效应，得到梳齿间距可调、稳定的高质量光频梳。

Description

一种基于光注入技术的光频梳产生装置
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于光注入技术的光频梳产生装置。
背景技术
在光学领域，光频梳作为一种超短光脉冲激光，可实现对光学频率的测量。为了表彰对光频梳的杰出贡献，三位科学家共享了2005年的诺贝尔物理学奖。光频梳在精密测距、电动力学理论研究等领域有众多的应用。由于光频梳的发展极大程度地促进了微波光子学的应用速度和效率，因此光频梳成为了微波光子学领域的研究热点。
传统光频梳的产生技术依赖于锁模激光器和循环频移结构。锁模激光器波长调谐范围较大，重频在一定范围内可调节，但是调节范围较小，因此生成光频梳的梳齿间距可调节但灵活性差，梳齿间距也较小。基于循环频移生成的光频梳，梳齿数目多、平坦度好，但也存在梳齿相位关系不稳定、噪声大等缺点。电光调制技术是另一种常见的产生光频梳方法。电光调制技术产生的光频梳梳齿间距灵活可调，但是梳齿数较少、梳齿不平坦，其性能被调制器的带宽所限制。故亟需设计一种能够具备高效率、简便、梳齿数多、梳齿平坦的光频梳产生装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于光注入技术的光频梳产生装置，用于解决上述现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明采用的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，包括激光器1、可调光衰减器、偏振控制器、光环形器、激光器2、射频源、调制器、半导体光放大器；其中所述激光器1依次连接所述可调光衰减器、偏振控制器和光环形器1端口将输出光波注入到与光环形器2端口连接的所述激光器2后，所述光环形器3端口的输出与所述调制器连接；所述调制器的输出与半导体光放大器连接；且所述射频源提供的射频信号通过所述调制器对所述激光器2输出的信号进行调制，通过调节所述激光器1提供的注入光以及所述射频源提供的射频信号的功率及频率和半导体光放大器的注入电流，在半导体光放大器的输出端口输出高质量光频梳。
进一步地，激光器1是波长可调、且具有一定光功率输出的激光器，用于提供波长可调、功率可调的注入光信号；
优选地，激光器1通常是波长灵活可调的激光源，可以是分布反馈激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及外腔激光器，可以方便准确地控制激光器1与激光器2之间的频率差，具有波长稳定性好、功率稳定度高、线宽窄的特点。
进一步地，所述光环形器是用于将光信号依次通过1端口、2端口到3端口进行单向传输，1端口、2端口和3端口分别与所述激光器1和所述激光器2的输出端口、所述调制器连接；
优选地，所述激光器1与所述光环形器间依次连有可调光衰减器与偏振控制器，其中所述可调光衰减器对所注入的光信号进行功率调节，所述偏振控制器对所注入的光信号进行偏振态的控制与调节，使激光器1与激光器2之间的光注入过程在激光器2的谐振腔中具有最优的注入效率；
进一步地，所述激光器2是允许外光注入半导体激光器，称之为光注入半导体激光器；
进一步地，使用了精确的电流和温度控制系统对所述激光器2的工作温度及驱动电流进行精密控制与调节；
优选地，激光器1可以是分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及法布里-珀罗半导体激光器等；
优选地，激光器2可以是分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及法布里-珀罗半导体激光器等；
优选地，注入过程采用正失谐方式进行，以便具有较大的调谐范围，即所述激光器1的输出光工作波长小于所述激光器2的自由工作波长；
进一步地，所述调制器，可以是相位调制器、强度调制器、马赫-曾德尔调制器等；
进一步地，所述半导体光放大器，对输入的光波产生四波混频效应，可优化产生光频梳的性能；
进一步地，所述射频源提供一定频率和一定功率的射频信号，加载到所述调制器的射频端口。
优选地，所述外加射频源输出的射频信号的频率为光频梳梳齿频率间距的整数倍分之一，即形成次谐波调制；
进一步地，所述射频源提供的外加射频信号的功率和频率影响产生光频梳的性能，改变所述射频源提供的外加射频信号的功率和频率，可优化产生光频梳的性能。
进一步地，所述半导体光放大器中发生的四波混频效应的效率是偏振相关的，在进入半导体光放大器前可利用偏振控制器调整进入光波的偏振态，提高半导体光放大器中四波混频的效率，进而提升输出光频梳的性能；
优选地，所述半导体光放大器可以用其它能够发生四波混频效应的非线性功能单元器件替代，如非线性光纤等。
进一步地，所述半导体光放大器的注入电流能够影响其发生四波混频的效率，进而影响输出光频梳的性能，改变所述半导体光放大器的注入电流，可优化产生光频梳的性能。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本方案的一个创新点在于，本发明提供的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，通过利用光注入技术产生种子光频梳，其结构简单。
本方案的一个创新点在于，本发明提供的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，通过调节注入功率与两激光器之间的失谐频率能够调节生成光频梳的梳齿频率间距，调节方式简单灵活。
本方案的一个创新点在于，本发明提供的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，光注入技术降低了光频梳产生所需的功率阈值。
本方案的一个创新点在于，本发明提供的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，利用调制器对产生的种子光频梳进行调制，能够稳定其梳齿之间的相位关系，并且使得整个光频梳的光谱更加稳定。
本方案的一个创新点在于，本发明提供的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，利用半导体光放大器的四波混频效应能够改善光频梳的性能，使其梳齿数更多，梳齿更加平坦。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式的一个具体实施例的结构示意图。
图3是本发明具体实施方式的所述装置产生的梳齿间距为4GHz、梳齿数为23的光频梳示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，一种基于光注入技术的光频梳产生装置，包括激光器1、可调光衰减器、偏振控制器、激光器2、光环形器、调制器、射频源以及半导体光放大器；其中所述激光器1依次连接所述可调光衰减器、偏振控制器和光环形器1端口将输出光波注入到与光环形器2端口连接的所述激光器2后，所述光环形器3端口与调制器相连；所述调制器的输出与半导体光放大器相连，且所述射频源提供的射频信号通过调制器对激光器2的输出进行调制，通过调节所述激光器1提供的注入光以及所述射频源提供的射频信号的功率及频率和半导体光放大器的注入电流，在所述半导体光放大器的输出端口输出高质量光频梳。
进一步地，激光器1是波长可调、且具有一定光功率输出的激光器，用于提供波长可调、功率可调的注入光信号；
优选地，激光器1通常是波长灵活可调的激光源，可以是分布反馈激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及外腔激光器，可以方便准确地控制激光器1与激光器2之间的频率差，具有波长稳定性好、功率稳定度高、线宽窄的特点。
进一步地，所述光环形器是用于将光信号依次通过1端口、2端口到3端口进行单向传输，1端口、2端口和3端口分别与所述激光器1和所述激光器2的输出端口、所述单模光纤连接；
优选地，所述激光器1与所述光环形器间依次连有可调光衰减器与偏振控制器，其中所述可调光衰减器对所注入的光信号进行功率调节，所述偏振控制器对所注入的光信号进行偏振态的控制与调节，使激光器1与激光器2之间的光注入过程在激光器2的谐振腔中具有最优的注入效率；
进一步地，所述激光器2是允许外光注入的的半导体激光器；
进一步地，使用了精确的电流和温度控制系统对所述激光器2的工作温度及驱动电流进行精密控制与调节；
优选地，激光器1可以是分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及法布里-珀罗半导体激光器等；
优选地，激光器2可以是分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器、垂直腔面发射激光器以及法布里-珀罗半导体激光器等；
优选地，注入过程采用正失谐方式进行，以便具有较大的调谐范围，即所述激光器1的输出光工作波长小于所述激光器2的自由工作波长；
进一步地，调制器可以是相位调制器、强度调制器、马赫-曾德尔调制器等。
进一步地，所述射频源提供一定频率和一定功率的射频信号，对从激光器输出的种子光频梳进行外调制。
优选地，所述外加射频源输出的射频信号的频率为种子光频梳梳齿间距频率整数倍分之一，即形成次谐波调制；
进一步地，所述射频源提供的外加射频信号的功率和频率影响所述装置产生光频梳的性能，改变所述射频源提供的外加射频信号的功率和频率，可优化产生光频梳的性能。
进一步地，所述半导体光放大器中发生的四波混频效应地效率是偏振相关的，在进入半导体光放大器前可利用偏振控制器调整进入光波的偏振态，提高半导体光放大器中四波混频的效率，进而提升输出光频梳的性能。
优选地，所述半导体光放大器可以用其它能够发生四波混频效应的非线性功能单元器件替代，如非线性光纤等。
进一步地，所述半导体光放大器的注入电流能够影响其发生四波混频的效率，进而影响输出光频梳的性能，改变所述半导体光放大器的注入电流，可优化产生光频梳的性能。
本实施例旨在提供一种基于光注入技术，结合半导体光放大器的四波混频效应，实现了一个结构简单、梳齿间距灵活可调、光谱稳定的光频梳产生装置。所述光频梳产生装置包括：
可调谐激光器与光注入半导体激光器作为系统光源，通过基于光注入技术的单周期振荡动力学特性产生梳齿间距可调的种子光频梳；
光隔离器、可调光衰减器与偏振控制器，其中所述光隔离器是为了防止光路中后向传输光对激光器1产生不良影响，所述可调光衰减器对所注入的光信号进行功率调节，所述偏振控制器对所注入的光信号进行偏振态的控制与调节，使可调谐激光器与光注入半导体激光器之间的光注入过程在光注入半导体激光器的谐振腔中具有最优的注入效率，也对进入半导体光放大器的光波偏振态进行调节，使得在半导体光放大器中的四波混频效率最高；
相位调制器，用于稳定种子光频梳梳齿间的相位关系，使得输出光谱稳定，同时使得进入半导体光放大器的种子光频梳的梳齿数变多；
半导体光放大器，利用其四波混频效应改善种子光频梳的性能；
外加射频源，输出射频信号调制光注入半导体激光器输出的种子光频梳。
为了使本发明的技术方案、优点及目的更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明并不用于限定本发明。
图2是本发明提供的一种基于光注入技术的光频梳产生装置的一个具体实施例的结构示意图。如图2所示，可调谐激光器发出激光通过光环形器注入到光注入半导体激光器，调谐注入参数使得光注入半导体激光器呈现单周期振荡特性，输出种子光频梳；种子光频梳输入到相位调制器，经由次谐波调制稳定后经过偏振控制器输入到半导体光放大器中；种子光频梳经过半导体光放大器的四波混频效应后输出性能良好的光频梳。
参照图2，选择主要器件参数如下：可调谐激光器输出光波长为1554.0980nm，光信号功率10dBm；光注入半导体激光器工作条件为温度稳定在19.81℃，工作电流为19.72mA，此时输出波长为1554.1460nm；采用种子光频梳梳齿间距频率的1/2次谐波对输出的种子光频梳进行调制，外加射频源输出信号频率设为4GHz，功率设为18dBm；SOA的注入电流为300mA。实验结果如图3所示，可以看到系统产生了梳齿间距为4GHz、梳齿数为23的光频梳。
本发明的原理如下：起始，所述可调谐激光器输出的激光注入到所述光注入半导体激光器中，适当调整注入参数，可以得到具有单周期振荡行为的光学信号，即种子光频梳。它经由环形器的3端口输出到相位调制器进行调制。被调制后信的号通过偏振控制器的调整后输入到半导体光放大器中。最终半导体光放大器输出光频梳。采用相位调制器对从激光器输出的种子光频梳调制的原因是单周期振荡各模式之间的相位不稳定，这导致种子光频梳进入半导体光放大器发生四波混频后输出的光频梳抖动不稳定，而使用相位调制器对种子光频梳进行调制，能够稳定各梳齿之间的相位关系，同时，若使用1/2次谐波调制，还能够使得种子光频梳的梳齿数在进入半导体光放大器前就增加一倍。偏振控制器的作用是控制进入半导体光放大器的光波偏振态，这是因为四波混频效应是偏振相关的，通过调节输入光的偏振态，使其在半导体光放大器中发生的四波混频的效率最高。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，包括激光器1、可调光衰减器、偏振控制器、光环形器、激光器2、射频源、调制器、半导体光放大器；其中，所述激光器1的输出光波依次通过所述可调光衰减器、偏振控制器和光环形器的1端口注入到与光环形器的2端口相连的所述激光器2中，光环形器的3端口与所述调制器相连；所述调制器的输出进入所述半导体光放大器，且所述射频源通过调制器对所述激光器2的输出进行调制；在所述半导体光放大器的输出端口获得光频梳。
2.如权利要求1所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，所述激光器1与所述光环形器间依次连接有可调光衰减器和偏振控制器；其中可调光衰减器对激光器1输出光波的光功率进行调谐，偏振控制器控制激光器1输出光波的偏振态与激光器2谐振腔内光波之间的偏振态保持一致。
3.如权利要求1所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，所述激光器1是波长可调、且具有一定光功率输出的可调谐激光器，用于提供波长可调、功率可调的注入光信号。
4.如权利要求1所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，所述激光器2是允许外光注入进谐振腔半导体激光器，称之为光注入半导体激光器；所述激光器2的工作温度及驱动电流均可控制调节，用于保证激光器输出光波的波长和功率稳定和灵活可调。
5.如权利要求1所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，所述调制器可以是相位调制器、马赫-曾德尔调制器等多种类型的调制器。
6.如权利要求1所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，所述半导体光放大器是作为四波混频效应发生的非线性器件。
7.如权利要求1所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，所述射频源提供一定频率和一定功率的射频信号，对所述激光器2的输出光波进行调制。
8.如权利要求7所述的一种基于光注入技术的光频梳产生装置，其特征在于，用于调制的外加射频信号的频率为所需生成光频梳梳齿频率间距的1/2。
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CN104765218A (zh) * 2015-04-10 2015-07-08 中国科学院半导体研究所 一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统

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廖曙旭: "光注入半导体激光器技术在微波光子学中的应用研究" *

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