CN115173215A - 基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置 - Google Patents
基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，包括依次连接的泵浦光模块、光放大模块、偏振控制模块、片上克尔光学微腔模块和脉冲压缩模块，所述的片上克尔光学微腔模块包括衬底材料、片上集成克尔光学微腔、局部色散管理波导和耦合光波导，所述的克尔光学微腔、局部色散管理波导和耦合光波导均制备在所述的衬底材料上，所述的局部色散管理波导与克尔光学微腔构成一个光学微微腔，所述的片上集成克尔光学微腔用于产生高重复频率宽光谱锁模脉冲。本发明可解决现阶段无片上高重复频率宽光谱飞秒脉冲光源的技术瓶颈，为宽带光子雷达、相干光通信以及光学模数转换系统性能提升及集成化发展提供高性能片上飞秒脉冲光源。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别是一种基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置。
背景技术
高重复频率宽光谱飞秒脉冲光源广泛应用于宽带光子雷达、基于DWDM的相干光通信以及光学模数转换等研究领域。在光子时间拉伸相干雷达中，飞秒脉冲的重复频率决定雷达外差拍频所产生微波信号的频率和带宽，光谱宽度决定雷达接收孔径的覆盖范围以及探测精度。在光学模数转换系统中，飞秒脉冲的重复频率和光谱宽度决定基于波分复用或并行解复用技术的光学模数转换系统采样率。因此，亟需发展高重复频率宽光谱飞秒脉冲光源。受限于有源增益波导，当前还没有片上锁模波导激光器的报道。而基于电光调制产生的脉冲光谱窄，且重复频率受到调制器带宽的限制。半导体锁模激光器受材料增益和腔内色散限制，光谱宽度也仅在数十nm之内，重复频率在10GHz以内。基于片上克尔光学微谐振腔(以下简称为片上克尔光学微腔)产生拉伸脉冲孤子有望解决上述难题。首先，片上克尔光学微腔的腔长在厘米到微米量级，锁模产生的孤子脉冲重复频率在～10GHz到几THz之间；其次，与传统孤子相比，拉伸脉冲孤子在腔内传输时经历色散引起的周期性拉伸-压缩，减少了非线性相移的累积，避免了脉冲过早分裂，因而光谱宽度可提高3-10倍。且由于拉伸脉冲孤子在腔内经历大幅度拉伸-压缩，不会与色散波产生稳定共振耦合，所以光谱较为光滑且无Kelly边带，脉冲波形干净且稳定性好，有望在上述应用领域发挥重要作用。
然而，目前报道的片上克尔光学微腔大多都是基于负色散机制下的传统孤子锁模，其光谱宽度和平坦度(3dB带宽小于100nm)还不能满足应用需求。虽然在正色散微腔中也能产生锁模亮孤子，但是需要模式耦合引起的局部色散扰动来触发，启动难度大，且光谱宽度和平坦度不高。与这两种孤子相比，展宽拉伸孤子和自相似子对应最宽频谱和最窄脉冲。最近加州大学洛杉矶分校Chee Wei Wong团队首次在片上克尔光学微腔中展示了拉伸脉冲孤子存在，但其光谱宽度也只有38nm(参见Y.Li,et al.,Real-time transitiondynamics and stability of chip-scale dispersion-managed frequencymicrocombs.Light Sci.Appl.,2020,9(1):1.)，且目前还未实现在片上克尔光学微腔中产生自相似孤子。因此，发展基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱展宽拉伸孤子或自相似子飞秒脉冲光源对于宽带光子雷达、相干光通信以及光学模数转换性能提升及集成化发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置。通过采用条形槽波导制备具有宽带平坦和低色散值的片上克尔光学微腔，使微腔锁模产生拉伸脉冲孤子或自相似孤子。在此基础上，通过对微腔部分区域进行局部色散管理来调控腔内色散值及色散分布，以及通过对微腔结构设计、材料选择等方式优化微腔非线性效应，实现对腔内拉伸脉冲孤子或自相似孤子频域光谱演变的调控，实现高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生。本发明可解决现阶段无片上高重复频率宽光谱飞秒脉冲光源的技术瓶颈，为宽带光子雷达、相干光通信以及光学模数转换系统性能提升及集成化发展提供高性能片上飞秒脉冲光源。
本发明的技术方案如下：
一种基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特点在于包括泵浦光模块，泵浦光调制模块、片上克尔光学微腔模块和脉冲压缩模块；所述的片上克尔光学微腔模块包括衬底材料、以及制备在该衬底材料上的片上集成克尔光学微腔、局部色散管理波导和耦合光波导；所述的局部色散管理波导与克尔光学微腔构成一个光学微腔，该光学微腔的宽带平坦和色散值低；
所述的泵浦光模块，用于产生泵浦光；
所述的泵浦光调制模块，用于对产生的泵浦光进行放大和调节偏振态，使频率处于蓝失谐端；
所述的耦合光波导用于接收所述频率处于蓝失谐端的泵浦光，并将该泵浦光耦合入所述的光学微腔，以及输出所述光学微腔锁模产生的拉伸脉冲孤子或自相似孤子；所述的局部色散管理波导用于进行局部色散管理来调控光学微腔内色散值及色散分布；
所述的脉冲压缩模块用于对所述的片上克尔光学微腔模块产生的高重复频率宽光谱锁模脉冲进行压缩，产生高重复频率宽光谱飞秒脉冲。
所述的泵浦光模块可采用但不限于固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器、光学参量振荡器以及各种类型片上光源；激光形式可采用但不限于单频连续光、多波长激光以及脉冲激光；所述的激光波长的范围覆盖从可见光到远红外波段范围。
所述的光放大模块用于放大泵浦光，可采用但不限于掺饵光纤放大器、半导体光放大器、拉曼放大器和光纤参量放大器。
所述的偏振控制模块用于调节放大后泵浦光的偏振态，可采用但不限于偏振控制器、偏振片和波片组合。
所述的脉冲压缩模块可采用但不限于棱镜、光栅、啁啾镜、色散补偿光纤以及片上正、负色散波导和色散器件。
所述的片上克尔光学微腔模块同时将克尔光学微腔产生的高重复频率宽光谱锁模脉冲耦合出微腔并输入所述的脉冲压缩模块。
所述的片上克尔光学微腔模块的微腔类型可采用但不限于微环、微盘、微球、微棒等形式。
所述的片上克尔光学微腔模块的波导模式可采用但不限于空间辐射模、衬底辐射模、导模以及空间辐射模等模式。
所述的片上克尔光学微腔模块的波导材料可采用但不限于氟化镁(MgF2)、硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、III-V族化合物、铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓铝(AlGaAs)以及硫化物、氟化物等材料。
所述的片上克尔光学微腔模块的微环波导结构可采用但不限于条形波导、脊形波导、条形槽波导以及T形、L型波导等结构。
所述的片上克尔光学微腔模块还可采用调整波导横截面的宽高比或通过改变微腔中波导宽度来实现色散管理和非线性优化。
所述的局部色散管理波导可以在微腔一处或者多处，所述的局部色散管理波导与克尔光学微腔构成一个整体，所述的片上克尔光学微腔模块的微腔局部色散管理可采用但不限于在微腔局部区域利用等离子体色散效应、热光效应、电光效应、费米能级调控、等离子体色散调控以及利用材料相变等效应来改变波导有效折射率，进而改变波导色散。
本装置的工作原理如下：
泵浦光模块产生的泵浦光被光放大模块放大后，经过偏振控制模块进入片上克尔光学微腔模块的耦合光波导中，耦合光波导将泵浦光耦合进克尔光学微腔。片上克尔光学微腔是一类可以把光场限制在腔内的光学器件，它由连续波或脉冲激光驱动，通过四波混频参量频率转换产生宽带腔模。与传统锁模光纤激光器一样，为了在腔模之间建立时间相干性和固定相位关系，克尔光学微腔必须通过形成光孤子来实现锁模。微腔内光场演变则取决于泵浦功率以及泵浦波长与微腔谐振波长的频率失谐量。当泵浦波长从谐振峰的蓝失谐快速扫过一个谐振峰进入红失谐时，微腔光频梳经历了主梳、子梳、调制不稳定性梳、克尔多孤子梳和克尔单孤子梳的演化过程。克尔单孤子态中光孤子具有时间相干性和固定相位关系，频域相邻频梳之间间隔严格相等，因此实现了锁模。由于微腔腔长在厘米到纳米量级，对应光孤子脉冲重复频率在10GHz到几THz之间，因此克尔光学微腔锁模可以产生高重复频率脉冲。片上克尔光学微腔模块具备的宽带平坦且低的色散值对于减小四波混频过程中的相位失配和提升拉伸脉冲孤子的光谱宽度十分重要。本装置中采用的克尔光学微腔色散管理后净腔色散为近零色散，因此锁模将产生具有较宽光谱的展宽拉伸孤子或自相似孤子，且本装置克尔光学微腔还通过对微腔部分区域进行局部色散管理来调控腔内色散值及色散分布，以及通过对微腔结构设计、材料选择等方式优化微腔非线性效应，可进一步增加的光谱宽度，从而产生高重复频率宽光谱锁模脉冲。该锁模脉冲经过耦合光波导输出后进入到脉冲压缩模块中，脉冲压缩模块具有与展宽拉伸孤子或自相似孤子所携带啁啾符号相反的色散，因此可以将锁模脉冲宽度压缩至飞秒量级，从而输出高重复频率宽光谱飞秒脉冲。
基于以上技术特征，本发明的优点主要包括：
(1)针对当前基于片上克尔微腔的高重复频率锁模脉冲光谱不够宽、脉冲不够窄的缺点，通过采用条形槽波导制备具有宽带平坦和低色散值的片上克尔光学微腔，使微腔锁模产生拉伸脉冲孤子或自相似孤子。在此基础上，通过对微腔部分区域进行局部色散管理来调控腔内色散值及色散分布，以及通过对微腔结构设计、材料选择等方式优化微腔非线性效应，实现对腔内拉伸脉冲孤子或自相似孤子频域光谱和时域波形演变的调控，进而实现高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生。
(2)本发明的片上克尔光学微腔可广泛应用于宽带光子雷达、相干光通信以及光学模数转换等研究领域，由于片上克尔光学微腔的制备工艺与CMOS工艺兼容，未来可与其它光电器件单片集成，实现系统芯片。
附图说明
图1为本发明基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置结构示意图，其中(a)为基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置结构示意图，(b)为及色散管理和非线性优化片上克尔光学微腔结构示意图。
图2为实施例中的条形槽波导，其中(a)为条形槽波导的横截面结构，(b)为(a)所示条形槽波导构成的片上克尔光学微腔的模场分布和色散曲线。
图3为本发明输出的高重复频率宽光谱飞秒脉冲特征，其中(a)为最终获得的宽带光谱，(b)为片上克尔光学微腔内的功率演变，(c)为最终获得的时域脉冲。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置的结构示意图，由图可见，一种基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，包括泵浦光模块1，沿所述的泵浦光模块1输出的泵浦光方向是依次连接的光放大模块2、偏振控制模块3、片上克尔光学微腔模块4和脉冲压缩模块5，所述的片上克尔光学微腔模块4包括衬底材料4-1、以及制备在该衬底材料4-1上的片上集成克尔光学微腔4-2、局部色散管理波导4-3和耦合光波导4-4。所述的局部色散管理波导4-3与克尔光学微腔4-2构成一个整体，所述的片上集成克尔光学微腔4-2用于产生高重复频率宽光谱锁模脉冲，所述的耦合光波导4-4用于将泵浦光耦合进所述的克尔光学微腔4-2。
所述的片上克尔光学微腔模块4为具有宽带平坦和低色散值的片上克尔光学微腔，使微腔孤子锁模产生拉伸脉冲孤子或自相似孤子。在此基础上，通过所述的局部色散管理波导4-3进行局部色散管理来调控腔内色散值及色散分布，以及通过对片上集成克尔光学微腔4-2结构设计、材料选择等方式优化微腔非线性效应，实现对腔内拉伸脉冲孤子或自相似孤子频域光谱和时域波形演变的调控，进而实现高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生。
实施例：
所述的泵浦光模块1采用半导体激光器，激光形式采用单频连续光，激光波长范围为1550nm。
所述的光放大模块2采用掺饵光纤放大器。
所述的偏振控制模块3采用偏振控制器。
所述的脉冲压缩模块5采用片上集成的色散波导。
所述的片上克尔光学微腔模块4同时将克尔光学微腔4-2产生的高重复频率宽光谱锁模脉冲耦合出微腔并输入所述的脉冲压缩模块5。
所述的片上克尔光学微腔4-2为采用SiO2和Si3N4材料设计和制备的条形槽波导片上克尔光学微腔，其波导横截面结构如图2中(a)所示，SiO2波导位于两层条形Si3N4波导中间。w、s、h1和h2分别表示微环宽度、SiO2波导厚度、上层和下层Si3N4波导厚度，本实施例波导宽度w为1.3μm，上层波导厚度h1为0.48μm、中层波导厚度s为0.16μm和下层波导厚度h2为0.87μm，其模场分布和色散曲线如图2中(b)所示。在短波长光学模场主要分布在下层条形波导区域，而在长波长时则部分转移到中间槽型区域，这将导致模式交叉效应的出现，从而改变波导色散分布。从色散曲线可以看出，基于SiO2和Si3N4材料的条形槽波导结构可以获得宽带范围内较为平坦的色散，且色散值接近零色散。
所述的克尔光学微腔4-2为采用由不同宽度波导组成的非对称微腔，可以进一步对微腔色散分布和非线性效应进行调控。
所述的局部色散管理波导4-3在微腔一处利用电光效应来改变部分波导的有效折射率，从而实现对微腔局部波导色散的调控。
扫描泵浦光模块1的激光波长从克尔光学微腔4-2的蓝失谐进入红失谐，微腔内由泵浦光驱动的参量增益与损耗、自聚焦克尔非线性与色散展宽达到动态平衡时，克尔光学微腔4-2产生随机多孤子脉冲。继续增加泵浦波长，同时管理腔内热光效应，相邻脉冲间因相互作用出现孤子湮灭，最终获得锁模单孤子态。可通过调整泵浦光振幅控制多孤子脉冲间相互作用来获得锁模单孤子。由于微腔设计时已将净腔色散管理为近零色散，因此实验中微腔锁模产生拉伸脉冲孤子。通过动态优化局部色散管理波导4-3的色散、光放大模块2放大后的泵浦光功率以及偏振控制模块3的偏振态，可以使克尔光学微腔4-2锁模产生的拉伸脉冲孤子光谱宽度最宽。克尔光学微腔4-2锁模产生的高重复频率宽光谱脉冲为携带线性啁啾的皮秒脉冲，通过耦合光波导4-4输出后进入脉冲压缩模块5，其具有与展宽拉伸孤子携带啁啾符号相反的色散，因此可以将锁模脉冲宽度压缩至飞秒量级，从而输出高重复频率宽光谱飞秒脉冲。
图3为本发明输出的高重复频率宽光谱飞秒脉冲特征，表明通过对片上克尔光学微腔4-2进行色散管理和非线性优化，使微腔锁模产生具有较宽光谱的展宽拉伸孤子，可实现高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生。本发明基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置可广泛应用于宽带光子雷达、相干光通信以及光学模数转换等研究领域，为上述系统性能提升及集成化发展提供高性能片上飞秒脉冲光源。
Claims (9)
1.一种基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在于包括泵浦光模块(1)，泵浦光调制模块、片上克尔光学微腔模块(4)和脉冲压缩模块(5)；所述的片上克尔光学微腔模块(4)包括衬底材料(4-1)、以及制备在该衬底材料(4-1)上的片上集成克尔光学微腔(4-2)、局部色散管理波导(4-3)和耦合光波导(4-4)；所述的局部色散管理波导(4-3)与克尔光学微腔(4-2)构成一个光学微腔，该光学微腔的宽带平坦和色散值低；
所述的泵浦光模块(1)，用于产生泵浦光；
所述的泵浦光调制模块，用于对产生的泵浦光进行放大和调节偏振态，使频率处于蓝失谐端；
所述的耦合光波导(4-4)用于接收所述频率处于蓝失谐端的泵浦光，并将该泵浦光耦合入所述的光学微腔，以及输出所述光学微腔锁模产生的拉伸脉冲孤子或自相似孤子；所述的局部色散管理波导(4-3)用于进行局部色散管理来调控光学微腔内色散值及色散分布；
所述的脉冲压缩模块(5)用于对所述的片上克尔光学微腔模块(4)产生的高重复频率宽光谱锁模脉冲进行压缩，产生高重复频率宽光谱飞秒脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述的光学微腔为条形波导、脊形波导、条形槽波导、T形波导或L型波导，所述局部色散管理波导(4-3)位于所述光学微腔的一处或多处，通过调整所述的克尔光学微腔(4-2)的波导横截面的宽高比或通过波导宽度来实现色散管理和非线性优化。
3.根据权利要求1或2所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述局部色散管理波导(4-3)利用等离子体色散效应、热光效应、电光效应、费米能级调控、等离子体色散调控以及利用材料相变等效应来改变波导有效折射率，进而改变波导色散。
4.根据权利要求2所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述波导材料为氟化镁(MgF2)、硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、III-V族化合物、铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓铝(AlGaAs)以及硫化物、氟化物。
5.根据权利要求1所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述的片上克尔光学微腔模块(4)的波导模式为空间辐射模、衬底辐射模、导模以及空间辐射模模式。
6.根据权利要求1所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述的泵浦光调制模块包括光放大模块(2)和偏振控制模块(3)；所述的光放大模块(2)用于放大泵浦光，为掺饵光纤放大器、半导体光放大器、拉曼放大器或光纤参量放大器；所述的偏振控制模块(3)用于调节放大后泵浦光的偏振态，为于偏振控制器、偏振片或波片组合。
7.根据权利要求1所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述的泵浦光模块(1)为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器或光学参量振荡器；激光形式为单频连续光、多波长激光以及脉冲激光；所述的激光波长的范围覆盖从可见光到远红外波段范围。
8.根据权利要求1所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述的脉冲压缩模块(5)为棱镜、光栅、啁啾镜、色散补偿光纤以及片上正、负色散波导和色散器件。
9.根据权利要求1所述的基于片上克尔光学微腔的高重复频率宽光谱飞秒脉冲产生装置，其特征在，所述的光学微腔为微环、微盘、微球或微棒形式。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115755271A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-03-07 | 广州市南沙区北科光子感知技术研究院 | 一种VO2混合硅基Fano共振的调制器 |
| CN116454716A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-07-18 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法 |
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2022
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| CN116454716B (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-22 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法 |
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