CN115016190A - 基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统 - Google Patents

基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统 Download PDF

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Abstract

一种基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，包括：布置在掺稀土薄膜铌酸锂芯片上，沿光信号传播方向的第一泵浦光耦合器、第一总线波导、有源微环、模斑转换器、光放大器、第一端面耦合器；布置在薄膜铌酸锂芯片上，沿光信号传播方向的第二端面耦合器、波分复用器、色散补偿波导、第二总线波导、无源微环和分束器；以及第二泵浦光耦合器、光频梳输出耦合器、光滤波器和倍频光输出耦合器。本发明通过采用基于薄膜铌酸锂的锁模激光器、光放大器和高Q值微环等器件，实现片上自锁定光频梳的产生，具有广阔的应用前景。

Description

基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统
技术领域
本发明涉及光学频率梳，特别是一种基于薄膜铌酸锂的自参考锁定的光频梳产生系统。
背景技术
光学频率梳，简称光频梳，在超快光学、光谱学、光钟、光通信等领域都有广泛应用。传统光频梳基于锁模激光器，结合超连续谱产生和倍频等结构，实现频率的自参考锁定。近十多年来，基于高Q值微型谐振器的光频梳(简称微腔光频梳，microcomb)得到关注。微腔光频梳通过腔内的级联四波混频，可以实现很宽的光谱产生。但微腔光频梳并不是严格意义上的光频梳，因为其并没有实现频率的自参考锁定。若要实现自参考锁定，已有的报道中需要利用具有不同梳齿间距和光谱宽度的两个微腔光频梳，结合互锁定、倍频、辅助激光等复杂系统，才能实现自参考锁定(D.Spencer,et al.,“An optical-frequencysynthesizer using integrated photonics,”Nature 557,81-85(2018)，和Z.Newman,etal.,“Architecture for the photonic integration of an optical atomic clock,”Optica 6,680-685(2019))，而多种材料的使用也使得光子集成变得困难。
因此，需要研究一种系统更简洁的、可以更方便实现光子集成的自参考锁定光频梳产生方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，通过采用基于薄膜铌酸锂的锁模激光器、光放大器和高Q值微环等器件，实现片上自锁定光频梳的产生，具有广阔的应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特点在于，包括：
第一泵浦激光器，用于提供第一泵浦光；
第二泵浦激光器，用于提供第二泵浦光；
布置在掺稀土薄膜铌酸锂芯片上，沿光信号传播方向的第一泵浦光耦合器、第一总线波导、有源微环、模斑转换器、光放大器、第一端面耦合器；所述有源微环是一个环形的单模铌酸锂波导结构，位于第一总线波导的一侧，通过倏逝波实现所述的第一总线波导内光场与有源微环内光场的耦合，所述有源微环上有电光移相器和第一热光移相器；
布置在薄膜铌酸锂芯片上，沿光信号传播方向的第二端面耦合器、波分复用器、色散补偿波导、第二总线波导、无源微环和分束器；以及第二泵浦光耦合器、光频梳输出耦合器、光滤波器和倍频光输出耦合器；所述无源微环是一个环形的高Q值单模铌酸锂波导结构，位于第二总线波导的一侧，通过倏逝波实现所述第二总线波导内光场与所述无源微环内光场的耦合，所述无源微环上有第二热光移相器；
所述第一泵浦光经第一泵浦光耦合器光学耦合后，经第一总线波导一部分倏逝波耦合进入所述有源微环产生增益，另一部分经所述模斑转换器进入所述光放大器，以前向泵浦方式为所述光放大器提供增益；所述第一端面耦合器与所述第二端面耦合器相连，二者位于各自芯片边缘，以实现两个芯片之间低损耗光耦合；信号光依次经所述第一端面耦合器和所述第二端面耦合器进入所述波分复用器的合路端口；所述第二泵浦光经所述第二泵浦光耦合器光学耦合后，经单模波导进入所述波分复用器的泵浦输入端口，经所述波分复用器分为二路，其中，一路泵浦光由所述波分复用器的合路端口输出后，依次经所述第二端面耦合器和第一端面耦合器进入所述光放大器，以后向泵浦方式为所述光放大器提供增益；另一路信号光由所述波分复用器的信号光端口输出后，依次经所述色散补偿波导、第二总线波导和分束器后分为二路，一路通过单模波导进入所述光频梳输出耦合器输出后，由光电探测器接收，另一路依次经所述光滤波器和倍频光输出耦合器后，由光电探测器接收；
光电探测器，用于将倍频光与光频梳中对应频率的信号进行拍频，并将拍频信号传输至所述控制器；
控制器，用于对所述第一泵浦激光器和第二泵浦激光器的输出功率进行控制，以及对所述有源微环中的电光移相器和第一热光移相器进行控制，对无源微环中的第二热光移相器进行控制。
优选的，所述第一泵浦光耦合器位于所述掺稀土薄膜铌酸锂芯片的边缘，用于将泵浦光耦合进掺稀土薄膜铌酸锂芯片。
优选的，所述电光移相器包括一段波导及其两侧的射频电极，当在电极上施加电信号调制时，通过电光效应，有源微环内会产生重复频率等于调制频率的光脉冲序列。
优选的，所述第一热光移相器和第二热光移相器包括一段波导及其一侧的加热电阻，当在加热电阻上施加电压，利用热光效应改变波导的折射率，用于对有源微环或无源微环的FSR进行微调。
优选的，所述色散补偿波导是一段具有特定宽度的单模铌酸锂波导，其色散符号与所述光放大器波导的色散符号相反；长度满足，色散补偿波导的总色散值抵消光放大器的总色散值，用于补偿光放大器放大过程中导致的光脉冲展宽。
优选的，所述有源微环的波导色散为反常色散，所述无源微环的波导色散为近零色散。
优选的，所述第一总线波导为单模波导，所述光放大器是多模波导，所述模斑转换器与第一总线波导相连处波导是同样宽度的单模波导，随后经过绝热拉伸展宽成多模波导，与光放大器相连。
优选的，所述第一端面耦合器一端与光放大器相连，并通过绝热拉升进一步展宽波导，在芯片边缘处具有较宽的波导宽度；所述第一端面耦合器和第二端面耦合器在各自芯片边缘处的波导宽度相近且较宽，使得两个芯片之间的波导耦合对对准误差不敏感，所述第二端面耦合器的波导宽度沿着光信号传播方向绝热减小，最终变成单模波导与波分复用器的合路端相连。
优选的，所述光频梳输出耦合器位于所述薄膜铌酸锂芯片的边缘，用于将产生的光频梳耦合到自由空间或输出光纤中。
优选的，所述光滤波器的透射谱的中心频率等于光频梳信号光的二倍频，用于将光频梳中的倍频光所在频段选出。
优选的，所述倍频光输出耦合器位于所述薄膜铌酸锂芯片的边缘，用于将光滤波器的输出光耦合到自由空间或输出光纤中。
优选的，所述掺稀土薄膜铌酸锂芯片自下向上依次是衬底、下包层和掺稀土薄膜铌酸锂波导层，所述第一泵浦光耦合器、第一总线波导、有源微环、模斑转换器、光放大器和第一端面耦合器都通过刻蚀工艺制备在掺稀土薄膜铌酸锂波导层上。
优选的，所述薄膜铌酸锂芯片自下向上依次是衬底、下包层和薄膜铌酸锂波导层，所述第二端面耦合器、波分复用器、色散补偿波导、第二总线波导、无源微环、分束器、第二泵浦光耦合器、光频梳输出耦合器、光滤波器和倍频光输出耦合器都通过刻蚀工艺制备在薄膜铌酸锂波导层上。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)利用薄膜铌酸锂材料可通过掺杂稀土元素提供增益、具有超低波导损耗(可小于5dB/m)和克尔非线可实现高效光谱展宽、以及具有二阶非线性可实现高速电光调制和二倍频的特点，将光频梳产生的关键光学器件有源微环、光放大器、色散补偿波导、无源微环、光分束器、光滤波器等都制备在薄膜铌酸锂光子集成平台上，这些器件之间的耦合效率高、损耗低，因此可以提升光频梳产生的效率。
2)除了泵浦激光器、光隔离器和光电探测器外，所有光学器件都制备在薄膜铌酸锂光子集成平台上，集成度高，有助于提升系统的稳定性和可靠性。
3)采用具有反常色散的有源微环加电光调制的方式产生孤子光脉冲，经过放大后进入近零色散的无源微环实现超连续谱和倍频的同时产生，具有结构简单、集成度高的优点，无需片外倍频、辅助激光器等辅助器件，因此具有很好的实用前景。
附图说明
图1是本发明基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统中芯片部分的示意图。
图2是本发明基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统的完整示意图。
图中：1-掺稀土薄膜铌酸锂芯片，11-第一泵浦光耦合器，12-第一总线波导，13-有源微环谐振腔，14-电光移相器14，15-第一热光移相器，16-模斑转换器，17-光放大器，18-第一端面耦合器；
2-薄膜铌酸锂芯片，21-第二端面耦合器，22-波分复用器，23-色散补偿波导，24-第二总线波导，25-无源微环，26-第二热光移相器，27-分束器，221-第二泵浦光耦合器，271-光频梳输出耦合器，272-光滤波器，273-倍频光输出耦合器273；
3-第一泵浦激光器，4-第一光隔离器，5-第二泵浦激光器，6-第二光隔离器，7-光电探测器，8-控制器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
先请参阅图1，图1是本发明基于薄膜铌酸锂的透镜辅助光束扫描器件的示意图，如图所示，包括：掺稀土薄膜铌酸锂芯片1和薄膜铌酸锂芯片2。掺稀土薄膜铌酸锂芯片上，沿光信号传播方向依次是第一泵浦光耦合器11、第一总线波导12、有源微环13、模斑转换器16、光放大器17、第一端面耦合器18；薄膜铌酸锂芯片2上，沿光信号传播方向依次是第二端面耦合器21、波分复用器22、色散补偿波导23、第二总线波导24、无源微环25、分束器27；波分复用器22的泵浦输入端口通过单模波导连接到第二泵浦光耦合器221；分束器27的两个输出端，一个输出端通过单模波导连接到光频梳输出耦合器271，另一个输出端通过光滤波器272连接到倍频光输出耦合器273。
所述的掺稀土薄膜铌酸锂芯片自下向上依次是衬底、下包层和掺稀土薄膜铌酸锂波导层，所述的第一泵浦光耦合器、第一总线波导、有源微环、模斑转换器、光放大器、第一端面耦合器都通过刻蚀等工艺制备在掺稀土薄膜铌酸锂波导层上。所述的衬底是起支撑作用的材料，如硅或石英。所述的下包层是折射率比掺稀土薄膜铌酸锂低的材料，如氧化硅，下包层厚度应远大于掺稀土薄膜铌酸锂波导层的厚度(5倍以上)，以确保波导层中的光场不会泄露到衬底中。
所述的薄膜铌酸锂芯片自下向上依次是衬底、下包层和非掺杂薄膜铌酸锂波导层，所述的第二端面耦合器、波分复用器、色散补偿波导、第二总线波导、无源微环、分束器、第二泵浦光耦合器、光频梳输出耦合器、光滤波器和倍频光输出耦合器都通过刻蚀等工艺制备在非掺杂薄膜铌酸锂波导层上。所述的衬底是起支撑作用的材料，如硅或石英。所述的下包层是折射率比非掺杂薄膜铌酸锂低的材料，如氧化硅，下包层厚度应远大于非掺杂薄膜铌酸锂波导层的厚度(5倍以上)，以确保波导层中的光场不会泄露到衬底中。
所述的第一泵浦光耦合器11位于掺稀土薄膜铌酸锂芯片的边缘，用于将泵浦光耦合进掺稀土薄膜铌酸锂芯片，泵浦光经过第一总线波导，一部分通过倏逝波耦合进入有源微环产生增益，另一部分继续沿第一总线波导，经过模斑转换器后进入光放大器，以前向泵浦的方式为光放大器提供增益。
所述的第一总线波导12是单模波导，工作在横电(TE)模或横磁(TM)模。
所述的有源微环13，是一个环形的单模铌酸锂波导结构，位于第一总线波导的一侧，通过倏逝波实现第一总线波导内光场与有源微环内光场的耦合。有源微环内的一部分波导上制备有高速电光移相器14，另一部分波导上制备有热光移相器15。
所述的电光移相器14是在一段波导的两侧制备有高速射频电极，当在电极上施加电信号调制时，通过铌酸锂的电光效应，微环内会产生折射率的周期性扰动。当电信号的调制频率与有源微环的自由谱程(Free spectral range,FSR)相等或是FSR的整数倍，且腔内由泵浦光产生的增益大于有源微环的损耗时，有源微环内会产生重复频率等于调制频率的光脉冲序列。这是一种可以产生皮秒或飞秒脉冲的主动锁模激光器结构。
所述的热光移相器15是在一段波导的上方或一侧制备有加热电阻，通过在加热电阻上施加电压，使得加热电阻发热，改变波导的温度，利用铌酸锂的热光效应来改变波导的折射率，用于对有源微环的FSR进行微调。当加热电阻制备在波导上方时，需要在波导上覆盖低折射率的上包层，再在上包层上制备加热电阻和电极，上包层的厚度应确保加热电阻和电极不会对波导内的光信号产生额外损耗。
所述的模斑转换器16是一段绝热展宽波导，其与第一总线波导相连的一端的宽度与第一总线波导的宽度相同，其与光放大器相连的一端的宽度与光放大器的波导宽度相同，后者的宽度大于前者。绝热展宽波导使得当光信号从单模的总线波导进入到多模的光放大器时，仍然保持单模。
所述的光放大器17是一段宽度较大、长度较长的多模掺稀土铌酸锂波导。
所述的第一端面耦合器18将光放大器的多模波导通过绝热缩小转换成单模波导，且其输出端位于掺稀土薄膜铌酸锂芯片的边缘。
所述的第二端面耦合器21是一段单模铌酸锂波导，其在薄膜铌酸锂芯片边缘处的光斑尺寸应尽可能和端面耦合器A在掺稀土薄膜铌酸锂芯片边缘处的光斑尺寸相同，以实现两个芯片之间低损耗的光耦合。
所述的波分复用器22用于将泵浦光和信号光进行耦合，是三端口器件，包含有合路端口、信号光端口和泵浦光端口。合路端口与第二端面耦合器相连，第二束泵浦光通过第二泵浦光耦合器221经过一段单模波导进入波分复用器的泵浦光端口，信号光端口与色散补偿波导23相连。第二束泵浦光通过波分复用器、第二端面耦合器和第一端面耦合器进入光放大器，通过后向泵浦的方式为光放大器提供增益。
所述的色散补偿波导23是一段具有特定宽度的单模铌酸锂波导，其色散符号与光放大器的波导的色散符号相反，其长度应满足色散补偿波导的总色散值恰好抵消光放大器的总色散值，用于补偿光放大器放大过程中导致的光脉冲展宽。
所述的第二总线波导24是一段单模铌酸锂波导。
所述的无源微环25，是一个环形的高Q值单模铌酸锂波导结构，位于第二总线波导的一侧，通过倏逝波实现第二总线波导内光场与无源微环内光场的耦合。无源微环内的一部分波导上制备有第二热光移相器26。无源微环中的波导色散设计成宽谱的近零色散，其在一个倍频程内的色散值应尽量小。
所述的第二热光移相器26是在一段波导的上方或一侧制备有加热电阻，通过在加热电阻上施加电压，使得加热电阻发热，改变波导的温度，利用铌酸锂的热光效应来改变波导的折射率，用于对无源微环的FSR进行微调，使无源微环的FSR等于有源微环的FSR。当加热电阻制备在波导上方时，需要在波导上覆盖低折射率的上包层，再在上包层上制备加热电阻和电极，上包层的厚度应确保加热电阻和电极不会对波导内的光信号产生额外损耗。
所述的分束器27有一个输入端和两个输出端，输入端与第二总线波导相连，一个输出端通过单模波导连接到光频梳输出耦合器271，另一个输出端通过光滤波器272连接到倍频光输出耦合器273。
所述的光频梳输出耦合器271位于薄膜铌酸锂芯片的边缘，用于将产生的光频梳耦合到自由空间或输出光纤中。
所述的光滤波器272的透射谱的中心频率等于光频梳信号光的二倍频，用于将光频梳中的倍频光所在频段选出。
所述的倍频光输出耦合器273位于薄膜铌酸锂芯片的边缘，用于将光滤波器的输出光耦合到自由空间或输出光纤中。
系统还包括设置于片外的第一泵浦激光器3、第一光隔离器4、第二泵浦激光器5、第二光隔离器6、光电探测器7和控制器8。第一泵浦激光器发出的泵浦光经过第一光隔离器和第一泵浦光耦合器耦合进掺稀土薄膜铌酸锂芯片，再经过第一总线波导分别为有源微环和光放大器提供增益。第二泵浦激光器发出的泵浦光经过第二光隔离器和第二泵浦光耦合器耦合进入非掺杂薄膜铌酸锂芯片，再经过波分复用器、第二端面耦合器和第一端面耦合器进入光放大器，为其提供增益。倍频光输出耦合器输出的光束通过自由空间或光纤进入光电探测器，光电探测器将倍频光与光频梳中对应频率的信号进行拍频。拍频信号进入控制器。控制器对第一泵浦激光器和第二泵浦激光器的输出功率进行控制，还对有源微环中的电光移相器和热光移相器进行控制，还对无源微环中的热光移相器进行控制。
系统的原理及工作流程如下：
控制器8控制第一泵浦激光器3和第二泵浦激光器5输出泵浦光，为有源微环和光放大器提供增益。
控制器8对有源微环中的电光移相器14施加电信号进行调制，调制频率等于有源微环FSR的整数倍。此时有源微环内产生锁模光脉冲，光脉冲的重复频率等于调制频率。光脉冲通过倏逝波耦合进第一总线波导，并在光放大器中获得放大。放大后的光脉冲经过第一端面耦合器、第二端面耦合器和波分复用器后进入色散补偿波导，补偿其在光放大器中的脉冲展宽，压缩后的光脉冲通过第二总线波导耦合进无源微环。控制无源微环的热光移相器，使无源微环的FSR等于有源微环的FSR，此时光脉冲以最高的效率在无源微环内通过四波混频效应进行频谱展宽，即光频梳产生。由于无源微环的波导色散设计成宽谱的近零色散，因此产生的光频梳的频谱可以覆盖一个倍频程，即频谱范围覆盖f到2f，f是光频梳频谱内的某一频率。同时，由于铌酸锂具有二阶非线性，无源微环内还会产生二倍频，即会产生f的二倍频2f。产生的光频梳通过分束器，一部分由光频梳输出耦合器直接输出，供实际使用，另一部分由光滤波器将2f0附近的光信号选出。
光频梳的频率可以表示为fm＝fceo+mfR，其中m是一个正整数，fceo是光频梳的载波包络偏移频率(Carrier envelope offset frequency)，fR是光脉冲的重复频率，等于调制频率，且0≤fceo<fR。那么当光频梳包含倍频程时，就会同时包含fm和f2m＝fceo+2mfR。而fm二倍频是2fm＝2fceo+2mfR，所以光滤波器的输出会同时包含f2m＝fceo+2mfR和2fm＝2fceo+2mfR。当这一信号用光电探测器进行拍频时，就可以提取出光频梳的载波包络偏移频率fceo＝2fm-f2m。这一拍频信号可以和控制器自带的参考时钟进行比较，通过对第一泵浦激光器的输出功率进行微调，可以调节fceo，实现对fceo的锁定。另一方面，通过对有源微环上的调制频率的控制，可以实现重复频率fR的锁定，这样就实现了对光频梳完全的自参考锁定。
优选的，所述的掺稀土薄膜铌酸锂芯片和非掺杂薄膜铌酸锂芯片可以是两个独立的芯片，也可以是一个芯片上的掺稀土和非掺杂的两个区域。
优选的，所述的掺稀土薄膜铌酸锂波导层和非掺杂薄膜铌酸锂波导层的厚度在100nm到3μm之间。
优选的，所述的掺稀土薄膜铌酸锂波导层是x切。
优选的，所述的掺稀土薄膜铌酸锂波导层中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、铒(Er)或铥(Tm)，对应的光信号的增益波长分别在1μm、1.55μm和2μm附近。
优选的，所述的泵浦激光器A和泵浦激光器B的输出波长对应于所述的掺稀土薄膜铌酸锂波导层的增益波长所需的泵浦波长。例如，掺杂的稀土元素是铒时，增益波长是1.55μm附近，则泵浦波长是980nm或1480nm。
优选的，所述的有源微环中的电光移相器中的高速电极产生的电场沿所述的掺稀土薄膜铌酸锂波导层的晶轴方向，即z轴方向。
优选的，所述的控制器施加在所述的有源微环中的电光移相器上的调制频率近似等于有源微环的FSR，调制频率与FSR的相对偏差小于5％。
优选的，所述的光放大器中的波导具有正常色散，使进入其中的光脉冲可以在光放大器内经历自相似放大。
优选的，所述的色散补偿波导具有反常色散，用以补偿光脉冲在光放大器中产生的脉冲展宽。
优选的，所述的无源微环和所述的有源微环的FSR之间的相对偏差小于1％。
优选的，所述的所有光学器件都工作在相同的模式，即TE模或TM模。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，包括：
第一泵浦激光器(3)，用于提供第一泵浦光；
第二泵浦激光器(5)，用于提供第二泵浦光；
布置在掺稀土薄膜铌酸锂芯片(1)上，沿光信号传播方向的第一泵浦光耦合器(11)、第一总线波导(12)、有源微环(13)、模斑转换器(16)、光放大器(17)、第一端面耦合器(18)；所述有源微环(13)是一个环形的单模铌酸锂波导结构，位于第一总线波导(12)的一侧，通过倏逝波实现所述的第一总线波导(12)内光场与有源微环(13)内光场的耦合，所述有源微环(13)上有电光移相器(14)和第一热光移相器(15)；
布置在薄膜铌酸锂芯片(2)上，沿光信号传播方向的第二端面耦合器(21)、波分复用器(22)、色散补偿波导(23)、第二总线波导(24)、无源微环(25)和分束器(27)；以及第二泵浦光耦合器(221)、光频梳输出耦合器(271)、光滤波器(272)和倍频光输出耦合器(273)；所述无源微环(25)是一个环形的高Q值单模铌酸锂波导结构，位于第二总线波导(25)的一侧，通过倏逝波实现所述第二总线波导(25)内光场与所述无源微环(25)内光场的耦合，所述无源微环(25)上有第二热光移相器(26)；
所述第一泵浦光经第一泵浦光耦合器(11)光学耦合后，经第一总线波导(12)一部分倏逝波耦合进入所述有源微环(13)产生增益，另一部分经所述模斑转换器(16)进入所述光放大器(17)，以前向泵浦方式为所述光放大器(17)提供增益；所述第一端面耦合器(18)与所述第二端面耦合器(21)相连，二者位于各自芯片边缘，以实现两个芯片之间低损耗光耦合；信号光依次经所述第一端面耦合器(18)和所述第二端面耦合器(21)进入所述波分复用器(22)的合路端口；所述第二泵浦光经所述第二泵浦光耦合器(221)光学耦合后，经单模波导进入所述波分复用器(22)的泵浦输入端口，经所述波分复用器(22)分为二路，其中，一路泵浦光由所述波分复用器(22)的合路端口输出后，依次经所述第二端面耦合器(21)和第一端面耦合器(18)进入所述光放大器(17)，以后向泵浦方式为所述光放大器(17)提供增益；另一路信号光由所述波分复用器(22)的信号光端口输出后，依次经所述色散补偿波导(23)、第二总线波导(24)和分束器(27)后分为二路，一路通过单模波导进入所述光频梳输出耦合器(271)输出后，由光电探测器(7)接收，另一路依次经所述光滤波器(272)和倍频光输出耦合器(273)后，由光电探测器(7)接收；
光电探测器(7)，用于将倍频光与光频梳中对应频率的信号进行拍频，并将拍频信号传输至所述控制器(8)；
控制器(8)，用于对所述第一泵浦激光器和第二泵浦激光器的输出功率进行控制，以及对所述有源微环中的电光移相器和第一热光移相器进行控制，对无源微环中的第二热光移相器进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述第一泵浦光耦合器(11)位于所述掺稀土薄膜铌酸锂芯片(1)的边缘，用于将泵浦光耦合进掺稀土薄膜铌酸锂芯片。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述电光移相器(14)包括一段波导及其两侧的射频电极，当在电极上施加电信号调制时，通过电光效应，有源微环内会产生重复频率等于调制频率的光脉冲序列。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述第一热光移相器和第二热光移相器包括一段波导及其一侧的加热电阻，当在加热电阻上施加电压，利用热光效应改变波导的折射率，用于对有源微环或无源微环的FSR进行微调。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述色散补偿波导(23)是一段具有特定宽度的单模铌酸锂波导，其色散符号与所述光放大器(17)波导的色散符号相反；长度满足，色散补偿波导的总色散值抵消光放大器的总色散值，用于补偿光放大器放大过程中导致的光脉冲展宽。
6.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述有源微环(13)的波导色散为反常色散，所述无源微环(25)的波导色散为近零色散。
7.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述第一总线波导(12)为单模波导，所述光放大器(17)是多模波导，所述模斑转换器(16)与第一总线波导(12)相连处波导是同样宽度的单模波导，随后经过绝热拉伸展宽成多模波导，与光放大器(17)相连。
8.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述第一端面耦合器(18)一端与光放大器(17)相连，并通过绝热拉升进一步展宽波导，在芯片边缘处具有较宽的波导宽度；所述第一端面耦合器(18)和第二端面耦合器(21)在各自芯片边缘处的波导宽度相近且较宽，使得两个芯片之间的波导耦合对对准误差不敏感，所述第二端面耦合器(21)的波导宽度沿着光信号传播方向绝热减小，最终变成单模波导与波分复用器(22)的合路端相连。
9.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述光频梳输出耦合器(271)位于所述薄膜铌酸锂芯片(2)的边缘，用于将产生的光频梳耦合到自由空间或输出光纤中。
10.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述光滤波器(272)的透射谱的中心频率等于光频梳信号光的二倍频，用于将光频梳中的倍频光所在频段选出。
11.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述倍频光输出耦合器(273)位于所述薄膜铌酸锂芯片(2)的边缘，用于将光滤波器的输出光耦合到自由空间或输出光纤中。
12.根据权利要求1-11任一所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述掺稀土薄膜铌酸锂芯片(1)自下向上依次是衬底、下包层和掺稀土薄膜铌酸锂波导层，所述第一泵浦光耦合器、第一总线波导、有源微环、模斑转换器、光放大器和第一端面耦合器都通过刻蚀工艺制备在掺稀土薄膜铌酸锂波导层上。
13.根据权利要求1-11任一所述的基于薄膜铌酸锂的自参考锁定光频梳产生系统，其特征在于，所述薄膜铌酸锂芯片(2)自下向上依次是衬底、下包层和薄膜铌酸锂波导层，所述第二端面耦合器、波分复用器、色散补偿波导、第二总线波导、无源微环、分束器、第二泵浦光耦合器、光频梳输出耦合器、光滤波器和倍频光输出耦合器都通过刻蚀工艺制备在薄膜铌酸锂波导层上。
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CN116300151A (zh) * 2023-04-07 2023-06-23 武汉安湃光电有限公司 一种基于薄膜铌酸锂的电光频梳芯片

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