CN114899686A - 一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统与方法。系统包括通过单模光纤依次连接的泵浦激光器、频率扫描单元、边带调制单元、光学放大器、偏振控制器、微环谐振腔和孤子光频梳检测单元。本发明一方面可以减小光频梳系统复杂度，同时也可以增大微腔参数的适用性，适用于任何本征重复频率的微腔；另一方面可以增大孤子存在范围，降低对泵浦激光的功率需求，同时克服泵浦激光频率抖动带来的不利影响，减小光频梳的梳齿线宽。

Description

一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统与 方法

技术领域

本发明涉及光学频率梳产生技术领域，更具体地说，特别涉及一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统与方法。

背景技术

作为超快光学领域的革命性技术，光学频率梳(简称光频梳)是一种在时域上具有固定脉冲重复频率，在频域上具有等间隔且离散分布谱线的超短脉冲激光源，其各个频率线之间具有恒定的相位关系。因此，光频梳可以作为一个齿轮，以一种简单的方式将射频与光域相干紧密地结合在一起，革新了许多重要的技术与应用，如光学原子钟、超低噪声微波产生、天文光谱仪校准、大规模相干光通信以及双光梳光谱等。

传统上，光频梳由锁模激光器或者电光调制法产生，其中：固体或者光纤锁模激光器由于腔长的限制，其重复频率一般小于10GHz；而基于电光调制法产生的光频梳受制于射频驱动源，系统体积庞大且功耗较高；但随着低损耗集成光子学平台的发展，利用基于微环谐振腔(简称微腔)产生的微腔孤子光频梳可以解决上述问题。微腔具有体积小、非线性系数大、品质因子高、设计灵活等特点，因此，可以极大提升腔内光场能量密度，并大幅降低光频梳产生泵浦功率阈值，满足大重复频率(从几GHz到1THz)、低功耗以及可芯片级集成的应用要求。

然而，由于微腔材料所固有的强热光效应，导致微腔光频梳由高功率混沌状态过渡到低功率孤子状态时，容易引发共振频率偏移，从而难以实现孤子光频梳稳定产生。为了克服腔的热效应，目前已报到的微腔孤子光频梳产生方案主要有以下几种：申请号为US2021/0294180A1的美国专利公开了一种基于泵浦激光频率快速扫描的方法，该方案虽然结构紧凑，但是产生的孤子光频梳噪声较大，且对泵浦功率需求较高；申请号为202010070638.8的中国专利公开了一种通过引入辅助激光来平衡微腔中热效应的方法，该方案虽然可以减少泵浦功率需求，并且降低光频梳产生难度，但是需要额外的辅助激光器、光纤环形器和放大器，从而使得系统较为复杂，此外，使用高于非线性阈值的辅助激光功率容易激发出多余的参量振荡梳齿，从而使得光频梳光谱不再纯净；申请号为202010953351.X的中国专利公开了一种通过对泵浦激光调制近似于微腔本征重复频率的信号，从而确定性地产生重频稳定的微腔光频梳，但是存在适用范围较窄的问题(一般重频＜45GHz)。以上问题制约了光频梳系统的小型化与实用化，因此，如何简便高效地实现低噪声微腔孤子光频梳产生，成为了亟待解决的关键难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统与方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，所述复合手段包括同时引入泵浦激光频率快速扫描方法和调制边带辅助热补偿方法，通过该复合控制手段，可以有效平衡腔中的热效应变化，避免孤子光频梳产生时的共振频率漂移，能够简单高效地实现低噪声孤子光频梳产生。所述系统包括通过单模光纤依次连接的泵浦激光器、频率扫描单元、边带调制单元、光学放大器、偏振控制器、微环谐振腔和孤子光频梳检测单元，所述泵浦激光器用于提供连续波泵浦激光，所述频率扫描单元用于对泵浦激光进行快速频率扫描，所述边带调制单元用于对泵浦激光进行调制产生光学边带，所述光学放大器用于对泵浦激光进行功率放大，所述偏振控制器用于调节泵浦激光的偏振态使泵浦激光在进入微环谐振腔之前的偏振方向与微环谐振腔的模式匹配，所述微环谐振腔用于接收调制之后的连续波泵浦激光，发生非线性简并和非简并四波混频过程，产生低噪声的微腔孤子光频梳，所述孤子光频梳检测单元用于分析测量孤子的功率演化过程、光谱以及线宽。

进一步地，所述泵浦激光器为窄线宽光纤激光器或窄线宽半导体激光器，泵浦激光器的波长调节范围大于所述微环谐振腔的一个自由光谱范围。

进一步地，所述频率扫描单元包括通过射频线缆连接的载波抑制单边带调制器、压控振荡器和斜坡信号发生器，所述载波抑制单边带调制器的两个输入端分别与泵浦激光器的输出端和压控振荡器的输出端连接，所述载波抑制单边带调制器的输出端与边带调制单元的输入端相连，所述压控振荡器的输入端与斜坡信号发生器的输出端相连。

进一步地，所述载波抑制单边带调制器用于对泵浦激光进行载波抑制并产生可以快速扫描的单光学边带，所述压控振荡器用于产生射频信号以驱动载波抑制单边带产生，所述斜坡信号发生器用于驱动压控振荡器从而实现单边带快速扫描。

进一步地，所述载波抑制单边带调制器为铌酸锂体调制器或片上铌酸锂微调制器。

进一步地，所述边带调制单元包括通过射频线缆连接的相位/强度调制器和射频信号源，所述相位/强度调制器的两个输入端分别与载波抑制单边带调制器的输出端和射频信号源的输出端相连，所述相位/强度调制器的输出端与光学放大器连接。

进一步地，所述相位/强度调制器用于对泵浦激光进行调制并产生低于微腔四波混频阈值功率的额外辅助边带，所述射频信号源用于产生射频信号以驱动相位/强度调制器。

进一步地，所述相位/强度调制器为铌酸锂体调制器或者片上铌酸锂微调制器。

进一步地，所述微环谐振腔用于产生重复频率由几GHz到1THz量级的光频梳；所述微环谐振腔包括熔融石英、氟化镁与氟化钙等回音壁模式微谐振腔，氮化硅、掺杂玻璃、二氧化硅、氮化铝、铝镓砷、磷化镓及铌酸锂等平面波导微环谐振腔。

本发明还提供一种根据上述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统的方法，包括以下步骤：

S1、调节泵浦激光器1和偏振控制器，分别控制泵浦激光的波长以及偏振状态，使得泵浦激光与微腔模式实现共振耦合，调节功率放大器，增大泵浦激光功率，使其超过微环谐振腔的非线性四波混频阈值；

S2、启动边带调制单元，使边带调制单元所产生的光学边带功率略小于微环谐振腔的参量振荡阈值；

S3、启动频率扫描单元，满足频率扫描时间与微环谐振腔的热弛豫时间一致；

S4、观察光频梳检测单元，分别通过示波器和光谱仪观察孤子台阶、光谱情况，并优化边带调制单元与频率扫描单元中的参数，使低噪声孤子光频梳能够高效产生。

进一步地，所述步骤S2中包括：首先调节驱动相位/强度调制器的射频信号源的频率，一般满足射频信号源频率是微环谐振腔共振线宽的3～8倍，然后调节射频信号源的功率。

进一步地，所述步骤S3中包括：首先调节驱动载波抑制单边带调制器的压控振荡器输出频率，输出频率设置为几GHz，然后调节驱动所述压控振荡器的斜坡信号发生器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提供的复合控制手段通过同时引入泵浦激光频率快速扫描和辅助调制边带热补偿来平衡腔中的热效应变化，避免了孤子光频梳产生时的共振频率漂移，能够简单高效地实现低噪声孤子光频梳产生。

2、本发明低噪声光学频率梳产生系统与背景技术中基于泵浦激光频率快速扫描的方法相比，可以有效增大孤子存在范围，减小所需泵浦光的功率，同时降低泵浦光的频率抖动带来的影响，从而减小光频梳线宽。

3、本发明低噪声光学频率梳产生系统与背景技术中辅助激光热补偿法相比，不需要额外的放大器与环形器等，系统结构简单。

4、本发明低噪声光学频率梳产生系统与基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生的方法相比，能够满足从几GHz到1THz的多种本征重复频率的光频梳产生，具有很强的普适性。

5、本发明对所制备微腔的材料体系不敏感，适用于多种材料的微环谐振腔，具有多器件芯片集成的优势，如泵浦激光器可由片上III-V族激光器代替，载波抑制单边带调制器和强度/相位调制器可由片上铌酸锂微调制器代替，且易于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明低噪声微腔孤子光频梳产生系统的结构示意图。

图2是本发明的低噪声单孤子光频梳光谱图。

图3是本发明的边带热补偿效应的原理说明示意图。

图4是本发明在不同边带调制单元参数下的孤子存在范围图。

图5是本发明在有边带调制单元和没有边带调制单元作用下不同模式的线宽变化示意图。

图中：泵浦激光器1、载波抑制单边带调制器2、压控振荡器3、斜坡信号发生器4、相位/强度调制器5、射频信号源6、光学放大器7、偏振控制器8、微环谐振腔9、单模光纤10、孤子光频梳检测单元11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-图5所示，本实施例公开了一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，包括通过单模光纤10依次连接的泵浦激光器1、频率扫描单元、边带调制单元、光学放大器7、偏振控制器8、微环谐振腔9和孤子光频梳检测单元11。

本实施例中，泵浦激光器1的输出端与频率扫描单元的输入端连接，泵浦激光器1是可调谐窄线宽激光器，用于提供窄线宽连续激光光源。泵浦激光器1的波长调节范围大于所述微环谐振腔9的一个自由光谱范围。

其中，泵浦激光器1是DFB光纤激光器，其线宽为145kHz，输出波长的中心频率为1550.12nm，可调范围是1nm，超过了微环谐振腔9的自由光谱范围0.8nm。在其他实施例中，泵浦激光器1也可采用片上III-V族半导体激光器或者其他类型的窄线宽激光光源代替。

在本实施例中，频率扫描单元包括载波抑制单边带调制器2、压控振荡器3和斜坡信号发生器4，载波抑制单边带调制器2的第一输入端与泵浦激光器1的输出端连接，第二输入端与压控振荡器3的输出端通过射频线缆连接，压控振荡器3的输入端与斜坡信号发生器4的输出端通过射频线缆连接，载波抑制单边带调制器2的输出端与边带调制单元的输入端连接。

其中，频率扫描单元用于对泵浦激光进行快速频率扫描，从而克服腔内热效应变化。在本实例中，斜坡信号发生器4的输出电压范围是4～8.2V，对应的压控振荡器3的输出频率是8.7～10.8GHz，对应的扫描速度是27.25GHz/μs。

在本实施例中，边带调制单元包括相位/强度调制器5和射频信号源6，相位/强度调制器5的第一输入端与载波抑制单边带调制器2的输出端连接，相位/强度调制器5的第二输入端与射频信号源6的输出端通过射频线缆连接，相位/强度调制器5的输出端与光学放大器7的输入端连接。

其中，边带调制单元用于对泵浦激光的频率漂移进行动态热补偿，从而增大孤子存在范围。在本实例中，射频信号源6的频率设置为1GHz，功率设置为7dBm，从而产生光学边带，且其功率略小于微环谐振腔的参量振荡阈值。

本实施例中，光学放大器7的输出端与偏振控制器8的输入端连接。偏振控制器8的输出端与微环谐振腔9的输入端连接。

其中，光学放大器7用于对泵浦激光进行功率放大。在本实例中，通常使用掺铒光纤型放大器，将泵浦功率放大到580mW，在其他实例中，可以采用半导体光放大器等。

其中，偏振控制器8用于调节泵浦激光的偏振态，从而实现与微环谐振腔的模式匹配。在本实例中，通常使用光纤型偏振控制器，在其他实例中，可以采用空间型偏振控制器等。

本实施例中，微环谐振腔9的输出端与光频梳检测单元11的输入端连接。

微环谐振腔9用于接收上述连续泵浦激光，并在非线性四波混频作用下产生光频梳。在本实例中，微环谐振腔9是基于氮化硅材料的高品质因子微腔，总Q值约为1×10⁶，线宽约为180MHz，参量振荡阈值约为70mW，在其他实例中，微环谐振腔9也可以采用其它材料的高品质因子微腔，如掺杂玻璃、二氧化硅、氮化铝，铝镓砷，磷化镓以及铌酸锂等。

本实施例中，孤子光频梳检测单元11用于分析测量孤子的功率演化过程、光谱以及线宽，包括滤波器、探测器、示波器、光谱仪以及线宽测量设备等。

本发明还提供一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统的方法，包括以下步骤：

步骤S1、开启泵浦激光器1，使其出射连续激光，调节其输出波长为1550.12nm，开启并调谐光学放大器7的输出功率为580mW，微调泵浦激光器1的波长，并调节偏振控制器8，使得泵浦激光与微环谐振腔9进行模式匹配，发生非线性四波混频作用。

步骤S2、开启边带调制单元，设置射频信号源6的输出频率和功率分别为1GHz和7dBm，此时产生的光学边带功率约为50mW，小于微环谐振腔9的参量振荡阈值70mW。

步骤S3、开启频率扫描单元，设置斜坡信号发生器4的输出电压范围是4～8.2V，对应的压控振荡器3的输出频率是8.7～10.8GHz，此时扫描速度可达27.25GHz/μs，能够有效平衡腔内热效应变化。

步骤S4、不断微调泵浦激光器1的初始输出波长，通过孤子光频梳检测单元监测孤子功率演化过程和光谱变化，从而得到单孤子光频梳产生的条件参数，如图2是本实例中产生的低噪声单孤子光频梳光谱图。

如图3所示，为本发明的边带热补偿效应的原理说明示意图，当产生孤子光频梳时，泵浦激光位于微腔模式的红失谐处，本发明通过利用边带调制单元调制出两个光学边带，其中：红移方向的边带由于远离共振模式可以忽略，而蓝移方向的光学边带则位于微腔模式的蓝失谐处。在这种情况下，该光学边带存在于热自锁区域，可以通过自动补偿腔内的热变化来减小泵浦激光频率和腔共振频率之间的相对漂移。具体来说，当泵浦激光向长波(短波)方向运动时，光学边带跟随泵浦激光器向长波(短波)运动并保持失谐不变，导致腔内功率增加(减少)和腔共振频率的红移(蓝移)，因此，可以减小泵浦激光与腔共振频率之间的相对失谐变化，从而增大孤子存在范围并且减小频率抖动噪声。

当相位/强度调制作用越大时，则光学边带功率越大，此时热补偿的作用也就越明显，因此孤子存在范围会越大。然而，当光学边带功率超过参数振荡阈值(70mW)时，光学边带带来的非线性作用会导致孤子光频梳崩溃。因此，图4是本发明在不同边带调制单元参数下的孤子存在范围图，详细分析了在不同调制强度(7、4、1、-2、-5、-8、-20dBm)下孤子存在范围的变化，可以看出，孤子存在的频率范围可以从146MHz提高到3080MHz。

如图5所示，为本发明在有边带调制单元和没有边带调制单元作用下不同模式的线宽变化示意图，由于重复频率的不稳定性，当光频梳模式远离泵浦模式时，线宽会而呈非线性增长，当有边带调制单元时，由于边带热补偿原理，光频梳的抖动减小，从而线宽减小，而且当光频梳模式离泵浦模式越远，这种现象就越为明显，因此，线宽可从148～400kHz(无边带调制单元)降至145～180kHz(有边带调制单元)。

本发明提供的复合控制手段通过同时引入泵浦激光频率快速扫描和辅助调制边带热补偿来平衡腔中的热效应变化，避免了孤子光频梳产生时的共振频率漂移，能够简单高效地实现低噪声孤子光频梳产生。

本发明采用复合控制手段的低噪声光学频率梳产生系统与背景技术中基于泵浦激光频率快速扫描的方法相比，可以有效增大孤子存在范围，减小所需泵浦光的功率，同时降低泵浦光的频率抖动带来的影响，从而减小光频梳线宽。

本发明采用复合控制手段的低噪声光学频率梳产生系统与背景技术中辅助激光热补偿法相比，不需要额外的放大器与环形器等，系统结构简单。

本发明采用复合控制手段的低噪声光学频率梳产生系统与基于啁啾泵浦的重频稳定光频梳产生的方法相比，能够满足从几GHz到1THz的多种本征重复频率的光频梳产生，具有很强的普适性。

本发明对制备微腔的材料体系不敏感，适用于多种材料的微环谐振腔，具有多器件芯片集成的优势，如泵浦激光器可由片上III-V族激光器代替，载波抑制单边带调制器和强度/相位调制器可由片上铌酸锂微调制器代替，且易于推广使用。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，所述复合手段包括同时引入泵浦激光频率快速扫描方法和调制边带辅助热补偿方法，其特征在于，包括通过单模光纤依次连接的泵浦激光器、频率扫描单元、边带调制单元、光学放大器、偏振控制器、微环谐振腔和孤子光频梳检测单元，所述泵浦激光器用于提供连续波泵浦激光，所述频率扫描单元用于对泵浦激光进行快速频率扫描，所述边带调制单元用于对泵浦激光进行调制产生光学边带，所述光学放大器用于对泵浦激光进行功率放大，所述偏振控制器用于调节泵浦激光的偏振态使泵浦激光在进入微环谐振腔之前的偏振方向与微环谐振腔的模式匹配，所述微环谐振腔用于接收调制之后的连续波泵浦激光，发生非线性简并和非简并四波混频过程，产生低噪声的微腔孤子光频梳，所述孤子光频梳检测单元用于分析测量孤子的功率演化过程、光谱以及线宽。

2.根据权利要求1所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述泵浦激光器为窄线宽光纤激光器或窄线宽半导体激光器，泵浦激光器的波长调节范围大于所述微环谐振腔的一个自由光谱范围。

3.根据权利要求1所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述频率扫描单元包括通过射频线缆连接的载波抑制单边带调制器、压控振荡器和斜坡信号发生器，所述载波抑制单边带调制器的两个输入端分别与泵浦激光器的输出端和压控振荡器的输出端连接，所述载波抑制单边带调制器的输出端与边带调制单元的输入端相连，所述压控振荡器的输入端与斜坡信号发生器的输出端相连。

4.根据权利要求3所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，载波抑制单边带调制器用于对泵浦激光进行载波抑制并产生可以快速扫描的单光学边带，压控振荡器用于产生射频信号以驱动载波抑制单边带产生，斜坡信号发生器用于驱动压控振荡器从而实现单边带快速扫描。

5.根据权利要求3所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述载波抑制单边带调制器为铌酸锂体调制器或片上铌酸锂微调制器。

6.根据权利要求1所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述边带调制单元包括通过射频线缆连接的相位/强度调制器和射频信号源，所述相位/强度调制器的两个输入端分别与载波抑制单边带调制器的输出端和射频信号源的输出端相连，所述相位/强度调制器的输出端与光学放大器连接。

7.根据权利要求6所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述相位/强度调制器用于对泵浦激光进行调制并产生低于微腔四波混频阈值功率的额外辅助边带，射频信号源用于产生射频信号以驱动相位/强度调制器。

8.根据权利要求6所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述相位/强度调制器为铌酸锂体调制器或者片上铌酸锂微调制器。

9.根据权利要求1所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统，其特征在于，所述微环谐振腔用于产生重复频率由几GHz到1THz量级的光频梳；所述微环谐振腔包括熔融石英、氟化镁与氟化钙回音壁模式微谐振腔，氮化硅、掺杂玻璃、二氧化硅、氮化铝、铝镓砷、磷化镓及铌酸锂平面波导微环谐振腔。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的采用复合控制手段的低噪声微腔孤子光频梳产生系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、调节泵浦激光器和偏振控制器，分别控制泵浦激光的波长以及偏振状态，使得泵浦激光与微腔模式实现共振耦合，调节功率放大器，增大泵浦激光功率，使其超过微环谐振腔的非线性四波混频阈值；

S2、启动边带调制单元，使边带调制单元所产生的光学边带功率小于微环谐振腔的参量振荡阈值；

S3、启动频率扫描单元，满足频率扫描时间与微环谐振腔的热弛豫时间一致；

S4、观察光频梳检测单元，分别通过示波器和光谱仪观察孤子台阶、光谱情况，并优化边带调制单元与频率扫描单元中的参数，使低噪声孤子光频梳高效产生。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中包括：首先调节驱动相位/强度调制器的射频信号源的频率，满足射频信号源频率是微环谐振腔共振线宽的3～8倍，然后调节射频信号源的功率。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中包括：首先调节驱动载波抑制单边带调制器的压控振荡器输出频率，输出频率设置为几GHz，然后调节驱动所述压控振荡器的斜坡信号发生器。

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