CN116435866A - 一种基于自注入锁定的光频梳源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于自注入锁定的光频梳源，包括半导体激光器、激光驱动器、第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器，第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器集成在一个光芯片上。半导体激光器在激光驱动器的作用下工作于增益开关模式输出光脉冲，半导体激光器输出的光脉冲经过第一波导分束器和第二波导分束器的分束后一部分光脉冲输出到光芯片外，另一部分光脉冲经过波导滤波器处理后形成特定频率的自注入光信号，自注入光信号反馈注入到半导体激光器，实现半导体激光器的自注入锁定以及有效光频梳的产生。此外，本申请提供的光频梳源可基于传统半导体激光器和传统的硅基芯片工艺实现，易于片上集成。

Description

一种基于自注入锁定的光频梳源

技术领域

本申请属于光频梳源领域，具体而言，涉及一种基于自注入锁定的光频梳源。

背景技术

光学频率梳(OFC)指的是在频谱上由一系列间隔均匀且具有稳定的相干相位关系的频率分量所组成的光谱。光频梳在频域上表现为具有相同频率间隔的频谱序列，在时域上则表现为超短脉冲序列，其在频域上的频率间隔与其在时域上的脉冲宽度严格遵守傅里叶变换关系。由于光频梳在频域上的分布形状特别像我们日常生活中所用的梳子，因此将其形象化地称为“光学频率梳”，简称“光频梳”。光频梳具有众多的频率分量，因此可以像具有精确刻度的尺子一样作为光学频率的测量工具，这也是迄今为止最精确的光频率测量工具。光频梳为光学频率精密测量、原子离子跃迁能级测量、远程信号时钟同步和卫星导航等领域提供了理想的研究工具。近年来随着光通信技术的飞速发展，光频梳也越来越广泛地被应用于密集波分复用、多波长超短脉冲产生、光学任意波形产生等领域。

基于锁模脉冲激光器产生光频梳是传统的光频梳产生方案。锁模脉冲激光指的是对激光纵模之间的相位进行锁定所产生的周期性变化的脉冲，在频域上则表现为具有一系列纵模的光谱，从而能够得到光学频率梳，激光的纵模间隔等价于光频梳的梳齿间隔。然而基于锁模激光器产生光频梳方法受限于激光器腔长，其重频通常只有几兆赫到数十兆赫。采用锁模激光器中光调制技术可以产生频率间隔为数十兆赫的光频梳，然而其频率间隔受限于光电调制器和射频信号发生器，且随着频率的提升，其成本将急剧的增长，不利于规模化应用。

近年来发展起来的微腔光频梳在重频方面具有先天性优势，正好弥补了传统光频梳技术的不足。利用微腔结构产生光频梳是比较高效的方案。微腔结构可产生间隔100GHz以上的大间隔光频梳，而且光频梳的噪声很小，信噪比可达40dB,并且梳齿之间具有较好的相干性。但由于目前工业化制备微腔的技术还不成熟，造成了这一类光频梳成本较高，同时由于微腔本身温度敏感性强，需要对其不断进行调控，使得最终光梳设备结构复杂，成本昂贵，不易片上集成，系统稳定性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种基于自注入锁定的光频梳源，通过自注入产生有效光频梳，具有结构简单、频谱稳定和易于片上集成的优点。其具体方案如下：

本申请公开了一种基于自注入锁定的光频梳源，包括半导体激光器、激光驱动器、第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器，所述第一波导分束器、所述第二波导分束器和所述波导滤波器集成在一个光芯片上；

所述半导体激光器工作于增益开关模式，用于输出光脉冲，所述光脉冲为初始脉冲或光频梳脉冲；所述激光驱动器与所述半导体激光器连接，用于驱动所述半导体激光器；所述第一波导分束器用于对所述半导体激光器输出的光脉冲、所述第二波导分束器输入的光脉冲或所述波导滤波器输入的光脉冲分束，所述波导滤波器用于对接收的光脉冲滤波并将滤波后的光脉冲传输至所述第二波导分束器或所述第一波导分束器，所述第二波导分束器用于对所述第一波导分束器输入的光脉冲或所述波导滤波器输入的光脉冲进行分束；所述第一波导分束器和所述第二波导分束器均包括第一上端口、第二上端口、第一下端口和第二下端口，所述第一波导分束器的第一上端口与所述半导体激光器连接，所述第二波导分束器的第一上端口与所述第一波导分束器的第二上端口连接，所述波导滤波器的两端分别连接所述第一波导分束器的第二下端口和所述第二波导分束器的第二下端口。

优选地，所述第一波导分束器的分束比和所述第二波导分束器的分束比均为(90+N)：(10-N)，其中N为小于10的正整数。

进一步地，所述光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导衰减器，用于对接收的光脉冲的强度衰减，所述波导衰减器的两端分别连接所述波导滤波器和所述第二波导分束器的第二下端口。

进一步地，所述光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导延时线，用于对接收的光脉冲延时处理，使经过延时处理的光脉冲传输到所述半导体激光器的时间与所述半导体激光器输出的其中一个光脉冲时间一致，所述波导延时线的两端分别连接所述波导衰减器和所述第二波导分束器的第二下端口。

优选地，所述波导衰减器由第三波导分束器、第一传输波导、第二传输波导、第四波导分束器和相位调制器组成，所述第三波导分束器和所述第四波导分束器均包括第三上端口和第三下端口，所述第一传输波导的两端分别连接所述第三波导分束器的第三上端口和所述第四波导分束器的第三上端口，所述第二传输波导的两端分别连接所述第三波导分束器的第三下端口和所述第四波导分束器的第三下端口，所述相位调制器设置在所述第二传输波导上。

优选地，所述半导体激光器为分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器。

优选地，所述激光驱动器包括直流源、RF射频信号源和偏置器，所述直流源用于产生直流偏置电流，所述RF射频信号源用于产生正弦驱动信号，所述偏置器由一个馈电电感和一个阻挡电容组成，所述馈电电感与所述直流源连接，所述阻挡电容与所述RF射频信号源连接，所述直流偏置电流和所述正弦驱动信号通过所述偏置器注入到所述半导体激光器。

优选地，所述波导滤波器为MZ不等臂干涉仪型滤波器或微环谐振腔型光滤波器。

优选地，所述MZ不等臂干涉仪型滤波器为单级MZ不等臂干涉仪或由多个MZ不等臂干涉仪级联组成。

优选地，所述微环谐振腔型光滤波器由首尾相连的环形波导和耦合直波导组成，所述耦合直波导接收光脉冲并将光脉冲耦合至所述环形波导。

总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本申请提供了一种基于自注入锁定的光频梳源，包括半导体激光器、激光驱动器、第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器，第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器集成在一个光芯片上。半导体激光器在激光驱动器的作用下工作于增益开关模式输出光脉冲，半导体激光器输出的光脉冲经过第一波导分束器和第二波导分束器的分束后一部分光脉冲输出到光芯片外，另一部分光脉冲经过波导滤波器处理后形成特定频率的自注入光信号，自注入光信号反馈注入到半导体激光器，实现半导体激光器的自注入锁定以及有效光频梳的产生。半导体激光器输出的部分光脉冲经过波导滤波器滤波后形成自注入光信号，自注入光信号的频率与半导体激光器自发辐射输出的光脉冲的某一频率一致，当自注入光信号反馈注入至半导体激光器后，半导体激光器输出光脉冲的线宽被大幅压窄，有效减小了光脉冲的相位噪声。自注入光信号反馈注入到半导体激光器后，半导体激光器输出的每个脉冲都是基于自注入锁定作用，而不是随机的自发发射，因此半导体激光器输出的光脉冲具有相同的相位差，可以产生更清晰的梳状线和可区分的梳状线间隔，同时提高了生成的光频梳的梳齿平坦度和相干性。此外，本申请提供的光频梳源可基于传统半导体激光器和传统的硅基芯片工艺实现，易于片上集成。

附图说明

为更清楚地说明本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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种基于自注入锁定的光频梳源的结构示意图；

图2为本申请中第一波导分束器和第二波导分束器的结构示意图；

图3为本申请另一实施例提供的一种基于自注入锁定的光频梳源的结构示意图；

图4为本申请一个实施例中波导衰减器的结构示意图；

图5为本申请基于图3提供的一种基于自注入锁定的光频梳源的结构示意图；

图6为本申请形成的光频梳脉冲频谱示意图；

图7为本申请中激光驱动器的结构示意图；

图8为本申请中MZ不等臂干涉仪的结构示意图；

图9为本申请一个实施例中MZ不等臂干涉仪型滤波器的结构示意图；

图10为本申请实施例中微环谐振腔型光滤波器的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为了便于理解和解释本申请实施例提供的技术方案，下面将先对本申请的背景技术进行说明。

近年来随着光通信技术的飞速发展，光频梳越来越广泛地被应用于密集波分复用、多波长超短脉冲产生、光学任意波形产生等领域。

基于锁模脉冲激光器产生光频梳是传统的光频梳产生方案。锁模脉冲激光指的是对激光纵模之间的相位进行锁定所产生的周期性变化的脉冲，在频域上则表现为具有一系列纵模的光谱，从而能够得到光学频率梳，激光的纵模间隔等价于光频梳的梳齿间隔。然而基于锁模激光器产生光频梳方法受限于激光器腔长，其重频通常只有几兆赫到数十兆赫。采用锁模激光器中光调制技术可以产生频率间隔为数十兆赫的光频梳，然而其频率间隔受限于光电调制器和射频信号发生器，且随着频率的提升，其成本将急剧的增长，不利于规模化应用。

近年来发展起来的微腔光频梳在重频方面具有先天性优势，正好弥补了传统光频梳技术的不足。利用微腔结构产生光频梳是比较高效的方案。微腔结构可产生间隔100GHz以上的大间隔光频梳，而且光频梳的噪声很小，信噪比可达40dB,并且梳齿之间具有较好的相干性。但由于目前工业化制备微腔的技术还不成熟，造成了这一类光频梳成本较高，同时由于微腔本身温度敏感性强，需要对其不断进行调控，使得最终光梳设备结构复杂，成本昂贵，不易片上集成，系统稳定性较差。

基于此，本申请提供一种基于自注入锁定的光频梳源，如图1所示，包括半导体激光器、激光驱动器、第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器，第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器集成在一个光芯片上。

在本发明的一个实施例中，当光芯片的材料为硅基二氧化硅时，半导体激光器和激光驱动器通过混合封装的方式与光芯片混合集成。在本发明的另一个实施例中，当光芯片的材料为三五族材料如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)时，半导体激光器可以直接集成在光芯片上。

在本申请中，半导体激光器工作于增益开关模式，用于输出光脉冲，激光驱动器与半导体激光器连接，用于驱动半导体激光器，半导体激光器输出的光脉冲为初始脉冲或光频梳脉冲。

具体地，当半导体激光器在激光驱动器的驱动下开始工作时，输出初始脉冲。初始脉冲在第一波导分束器和第二波导分束器的分束作用以及波导滤波器的滤波作用下，一部分初始脉冲成为特定频率的自注入光信号，自注入光信号反馈注入到半导体激光器，半导体激光器基于自注入光信号输出光频梳脉冲。当前光频梳脉冲继续在第一波导分束器和第二波导分束器的分束作用以及波导滤波器的滤波作用下，一部分当前光频梳脉冲成为特定频率的自注入光信号反馈注入到半导体激光器，半导体激光器基于当前自注入光信号继续输出光频梳脉冲。此过程是个周期往复持续的过程，总结而言也即是每个光频梳脉冲的产生都是源于上一周期的光频梳脉冲的自注入而产生的。

第一波导分束器用于对半导体激光器输出的光脉冲、第二波导分束器输入的光脉冲或波导滤波器输入的光脉冲分束，波导滤波器用于对接收的光脉冲滤波并将滤波后的光脉冲传输至第二波导分束器或第一波导分束器，第二波导分束器用于对第一波导分束器输入的光脉冲或波导滤波器输入的光脉冲进行分束；第一波导分束器和第二波导分束器均包括第一上端口、第二上端口、第一下端口和第二下端口，如图2所示，第一波导分束器的第一上端口与半导体激光器连接，第二波导分束器的第一上端口与第一波导分束器的第二上端口连接，波导滤波器的两端分别连接第一波导分束器的第二下端口和第二波导分束器的第二下端口。

在本申请中，半导体激光器输出的光脉冲传输至第一波导分束器分束，分束后的光脉冲大部分传输至第二波导分束器继续分束，另一小部分光脉冲传输至波导滤波器，这里为了便于区分和表示，将此小部分光脉冲命名为逆向光脉冲，逆向光脉冲经过波导滤波器滤波后依次通过第二波导分束器和第一波导分束器反馈注入至半导体激光器；从第一波导分束器传输至第二波导分束器的光脉冲分束后，大部分光脉冲传输至光芯片外，另一小部分光脉冲传输至波导滤波器，这里将此小部分光脉冲命名为正向光脉冲，正向光脉冲依次经过波导滤波器和第一波导分束器后反馈注入至半导体激光器，这里逆向光脉冲和正向光脉冲传输至半导体激光器的时刻相同。

其中，第一波导分束器和第二波导分束器可以是定向耦合器、多模干涉仪(MMI)或MZ干涉仪，本领域技术人员可以根据需要选择不同类型的分束器。为了保证只有少量的光脉冲自注入至半导体激光器，设置第一波导分束器的分束比和第二波导分束器的分束比均为(90+N)：(10-N)，其中N为小于10的正整数。也即是第一波导分束器和第二波导分束器能够将输入的光脉冲按照(90+N)：(10-N)的比例能量分束，得到两组分束后的光脉冲。具体的，第一波导分束器和第二波导分束器的分束比可以为99:1，或95:5等。

波导滤波器对输入其上的光脉冲进行滤波，使输入其上的光脉冲的中心光谱线更窄，优选典型达到小于100MHz。为了实现半导体激光器的自注入锁定，其中一个重要的条件是自注入到半导体激光器的光脉冲波长与半导体激光器能够发出的光脉冲波长接近，因此设置波导滤波器对自注入光脉冲进行滤波处理。在本申请中，波导滤波器为MZ不等臂干涉仪型滤波器或微环谐振腔型光滤波器。

在本发明实施例中，半导体激光器在激光驱动器的作用下工作于增益开关模式输出光脉冲，半导体激光器输出的光脉冲经过第一波导分束器和第二波导分束器的分束后大部分光脉冲输出到光芯片外，另一小部分光脉冲(包括逆向光脉冲和正向光脉冲)经过波导滤波器处理后形成特定频率的自注入光信号，自注入光信号反馈注入到半导体激光器，实现半导体激光器的自注入锁定以及有效光频梳的产生。半导体激光器输出的小部分光脉冲经过波导滤波器滤波后形成自注入光信号，自注入光信号的频率与半导体激光器自发辐射输出的光脉冲的某一频率一致，当自注入光信号反馈注入至半导体激光器后，半导体激光器输出光脉冲的线宽被大幅压窄，有效减小了光脉冲的相位噪声。自注入光信号反馈注入到半导体激光器后，半导体激光器输出的每个脉冲都是基于自注入锁定作用，而不是随机的自发发射，因此半导体激光器输出的光脉冲具有相同的相位差，可以产生更清晰的梳状线和可区分的梳状线间隔，同时提高了生成的光频梳的梳齿平坦度和相干性。此外，本申请提供的光频梳源可基于传统半导体激光器和传统的硅基芯片工艺实现，易于片上集成。

在本发明的另一个实施例中，光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导衰减器，用于对接收的光脉冲的强度衰减，波导衰减器的两端分别连接波导滤波器和第二波导分束器的第二下端口，基于此实施例的光频梳源结构如图3所示。

为了保证半导体激光器的自注入锁定成功，另一个重要的条件是反馈注入至半导体激光器的自注入光脉冲的光强不能太高，否则自注入光脉冲会影响半导体激光器输出光脉冲的稳定性。因此设置波导衰减器对自注入光脉冲的光强衰减，调节自注入光脉冲的光强。

在本申请的一个实施例中，波导衰减器由第三波导分束器、第一传输波导、第二传输波导、第四波导分束器和相位调制器组成，结构如图4所示，第三波导分束器和第四波导分束器均包括第三上端口和第三下端口，第一传输波导的两端分别连接第三波导分束器的第三上端口和第四波导分束器的第三上端口，第二传输波导的两端分别连接第三波导分束器的第三下端口和第四波导分束器的第三下端口，相位调制器设置在第二传输波导上。

具体地，波导衰减器中的第三波导分束器和第四波导分束器的分束比为50:50，相位调制器对输入至第二传输波导上的光脉冲进行相位调制，与第一传输波导上传输的光脉冲形成相位差，经过相位调制的第二传输波导上的光脉冲与第一传输波导上的光脉冲相遇后干涉相消，实现光脉冲的强度衰减。

在本实施例下，信号的具体传输过程为：

半导体激光器输出的光脉冲传输至第一波导分束器分束，分束后的光脉冲大部分传输至第二波导分束器继续分束，另一小部分光脉冲(逆向光脉冲)传输至波导滤波器，逆向光脉冲经过波导滤波器滤波后输入至波导衰减器的第三波导分束器分束，分束后的一组逆向光脉冲通过第三上端口输入至第一传输波导，另一组逆向光脉冲通过第三下端口输入至第二传输波导，位于第二传输波导上的相位调制器对此组逆向光脉冲相位调制，经过第一传输波导传输的逆向光脉冲和经过相位调制的第二传输波导上的逆向光脉冲在第四波导分束器相遇合束并发生干涉相消，实现对逆向光脉冲的光强衰减，经过衰减的逆向光脉冲依次通过第二波导分束器和第一波导分束器反馈注入至半导体激光器。

从第一波导分束器传输至第二波导分束器的光脉冲分束后，大部分光脉冲传输至光芯片外，另一小部分光脉冲(正向光脉冲)传输至波导衰减器，正向光脉冲输入至波导衰减器的第四波导分束器分束，分束后的一组正向光脉冲通过第三上端口输入至第一传输波导，另一组逆向光脉冲通过第三下端口输入至第二传输波导，位于第二传输波导上的相位调制器对此组正向光脉冲相位调制，经过第一传输波导传输的正向光脉冲和经过相位调制的第二传输波导上的正向光脉冲在第三波导分束器相遇合束并发生干涉相消，实现对逆向光脉冲的光强衰减，经过衰减的正向光脉冲依次通过波导滤波器和第一波导分束器反馈注入至半导体激光器。

基于图3，在本发明的另一个实施例中，光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导延时线，用于对接收的光脉冲延时处理，使经过延时处理的光脉冲传输到所述半导体激光器的时间与所述半导体激光器输出的其中一个光脉冲时间一致，波导延时线的两端分别连接波导衰减器和第二波导分束器的第二下端口，如图5所示。

逆向光脉冲和正向光脉冲经过波导延时线的延时作用注入至半导体激光器的时刻恰好与半导体激光器输出光脉冲的时刻一致。具体地，逆向光脉冲依次经过波导滤波器、波导衰减器、波导延时线、第二波导分束器和第一波导分束器注入至半导体激光器，正向光脉冲依次经过波导延时线、波导衰减器、波导滤波器和第一波导分束器注入至半导体激光器，逆向光脉冲和正向光脉冲同时注入至半导体激光器。通过设置波导延时线，保证了自注入光脉冲到达到半导体激光器的时刻与半导体激光器输出光脉冲的时刻相对应。

在本申请中，优选半导体激光器为分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器。

半导体激光器具有体积小、波长覆盖范围广、制作工艺成熟、便于集成等优点。半导体激光器工作于增益开关模式下能够产生超短光脉冲，进一步地，分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器具有周期性波纹结构，对模式具有选择作用，能实现动态单纵模工作。在本申请中，半导体激光器产生的部分光脉冲经过处理后反馈注入到半导体激光器，实现光脉冲的自注入。半导体激光器的谐振腔存在多个振荡模式，且具有较宽的增益曲线。当自注入的光脉冲返回至半导体激光器的谐振腔，引起腔内载流子以及腔内介质折射率发生改变，其自由运转时的振荡模式就会被抑制，振荡频率会发生改变，谐振腔内与自注入光脉冲频率一致的振荡模式增强，由于模式竞争的作用，其他模式被抑制，直到最后以单纵模状态输出激光光脉冲，达到注入锁定的目的。

假设半导体激光器的调制频率为f₂，通过波导滤波器的光脉冲频率为f₁。输出的初始脉冲耦合至光芯片上，经过在光芯片上的传输和处理，一部分初始脉冲(自注入光脉冲)反馈注入至半导体激光器中，半导体激光器在自注入光脉冲的注入锁定下，达到自注入锁定的状态，输出光频梳脉冲，接下来的过程中每个光频梳脉冲的产生都是源于上一周期的光频梳脉冲的自注入而产生，形成的光频梳脉冲频谱如图6所示，频谱的中心频率由f₁决定，频谱的梳齿宽度由半导体激光器的调制频率f₂决定。

在本申请中，激光驱动器包括直流源、RF射频信号源和偏置器，结构如图7所示，直流源用于产生直流偏置电流，RF射频信号源用于产生正弦驱动信号，偏置器由一个馈电电感和一个阻挡电容组成，馈电电感与直流源连接，阻挡电容与RF射频信号源连接，直流偏置电流和正弦驱动信号通过偏置器注入到半导体激光器。

直流源产生的直流偏置电流与RF射频信号源产生的正弦驱动信号在偏置器内结合后注入到半导体激光器，驱动半导体激光器周期性地产生光脉冲。偏置器内的馈电电感用于添加直流偏置电流，防止RF射频信号源产生的正弦驱动信号泄露到直流源系统中；偏置器内的阻挡电容用于输入正弦驱动信号，同时阻挡偏置电流输入至RF射频信号源。

在本申请中，具体地MZ不等臂干涉仪型滤波器为单级MZ不等臂干涉仪或由多个MZ不等臂干涉仪级联组成。

MZ不等臂干涉仪由第一3dB定向耦合器、传输短臂、传输长臂和第二3dB定向耦合器连接组成，结构如图8所示。当光脉冲从端口1输入后，光脉冲经第一3dB定向耦合器分成两路能量相同的两组光信号且其相位相差π/2，一组光信号沿着传输短臂传输，另一组光信号沿着传输长臂传输，基于两个3dB定向耦合器带来的相位差以及传输短臂和传输长臂的路径差，两组光信号在端口3干涉增强，在端口4干涉相消，根据设置，满足波长特定关系式的光频率从端口3输出，满足另一波长特定关系式的光频率从端口4输出，设定从端口4输出的光频率被舍弃，达到滤波的功能。

在另一个实施例中，MZ不等臂干涉仪型滤波器由多个MZ不等臂干涉仪级联组成，当前MZ不等臂干涉仪的端口3与下一级MZ不等臂干涉仪的端口1连接，结构如图9所示，每个MZ不等臂干涉仪上均形成干涉效应，最后累积干涉效应达到滤波的功能。

此外，在本申请中波导滤波器还可以采用微环谐振腔型光滤波器，具体地，微环谐振腔型光滤波器由首尾相连的环形波导和耦合直波导组成，耦合直波导接收光脉冲并将光脉冲耦合至环形波导，结构如图10所示。光脉冲通过耦合直波导耦合至环形波导内，会在环形波导内环形传输并在一定条件下引起共振。当特定波长处的光绕环形波导一周的相位满足干涉相长条件时为谐振态，处于谐振态波长处的光能量与环形波导的损耗平衡，不输出，而不满足谐振态波长的光能量无法在环形波导内储存能量，从耦合直波导的端口输出，基于上述微环谐振腔的性能达到滤波的功效。为了达到更好的滤波效果，可以将多个微环谐振腔型光滤波器级联，但是随着级联结构的增加，制作难度也会加大，因此优选两到三个级联结构即可，实现对光脉冲的频谱调制。

基于上述对本申请的解释和阐述可知，半导体激光器在激光驱动器的作用下工作于增益开关模式输出光脉冲，在波导分束器的作用下，其中一小部分光脉冲经过滤波、衰减和延时处理后反馈注入到半导体激光器，实现半导体激光器的自注入锁定以及有效光频梳的产生。经过波导滤波器滤波后，自注入到半导体激光器的光信号频率与半导体激光器自发辐射输出的光脉冲的某一频率一致，基于自注入的光信号半导体激光器输出光脉冲的线宽被大幅压窄，有效减小了光脉冲的相位噪声。自注入光信号反馈注入到半导体激光器后，半导体激光器输出的每个脉冲都是基于自注入锁定作用，而不是随机的自发发射，因此半导体激光器输出的光脉冲具有相同的相位差，可以产生更清晰的梳状线和可区分的梳状线间隔，同时提高了生成的光频梳的梳齿平坦度和相干性。此外，本申请提供的光频梳源可基于传统半导体激光器和传统的硅基芯片工艺实现，易于片上集成。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，包括半导体激光器、激光驱动器、第一波导分束器、第二波导分束器和波导滤波器，所述第一波导分束器、所述第二波导分束器和所述波导滤波器集成在一个光芯片上；

所述半导体激光器工作于增益开关模式，用于输出光脉冲，所述光脉冲为初始脉冲或光频梳脉冲；所述激光驱动器与所述半导体激光器连接，用于驱动所述半导体激光器；所述第一波导分束器用于对所述半导体激光器输出的光脉冲、所述第二波导分束器输入的光脉冲或所述波导滤波器输入的光脉冲分束，所述波导滤波器用于对接收的光脉冲滤波并将滤波后的光脉冲传输至所述第二波导分束器或所述第一波导分束器，所述第二波导分束器用于对所述第一波导分束器输入的光脉冲或所述波导滤波器输入的光脉冲进行分束；所述第一波导分束器和所述第二波导分束器均包括第一上端口、第二上端口、第一下端口和第二下端口，所述第一波导分束器的第一上端口与所述半导体激光器连接，所述第二波导分束器的第一上端口与所述第一波导分束器的第二上端口连接，所述波导滤波器的两端分别连接所述第一波导分束器的第二下端口和所述第二波导分束器的第二下端口。

2.根据权利要求1所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述第一波导分束器的分束比和所述第二波导分束器的分束比均为(90+N)：(10-N)，其中N为小于10的正整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导衰减器，用于对接收的光脉冲的强度衰减，所述波导衰减器的两端分别连接所述波导滤波器和所述第二波导分束器的第二下端口。

4.根据权利要求3所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导延时线，用于对接收的光脉冲延时处理，使经过延时处理的光脉冲传输到所述半导体激光器的时间与所述半导体激光器输出的其中一个光脉冲时间一致，所述波导延时线的两端分别连接所述波导衰减器和所述第二波导分束器的第二下端口。

5.根据权利要求3所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述波导衰减器由第三波导分束器、第一传输波导、第二传输波导、第四波导分束器和相位调制器组成，所述第三波导分束器和所述第四波导分束器均包括第三上端口和第三下端口，所述第一传输波导的两端分别连接所述第三波导分束器的第三上端口和所述第四波导分束器的第三上端口，所述第二传输波导的两端分别连接所述第三波导分束器的第三下端口和所述第四波导分束器的第三下端口，所述相位调制器设置在所述第二传输波导上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述半导体激光器为分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述激光驱动器包括直流源、RF射频信号源和偏置器，所述直流源用于产生直流偏置电流，所述RF射频信号源用于产生正弦驱动信号，所述偏置器由一个馈电电感和一个阻挡电容组成，所述馈电电感与所述直流源连接，所述阻挡电容与所述RF射频信号源连接，所述直流偏置电流和所述正弦驱动信号通过所述偏置器注入到所述半导体激光器。

8.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述波导滤波器为MZ不等臂干涉仪型滤波器或微环谐振腔型光滤波器。

9.根据权利要求8所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述MZ不等臂干涉仪型滤波器为单级MZ不等臂干涉仪或由多个MZ不等臂干涉仪级联组成。

10.根据权利要求8所述的一种基于自注入锁定的光频梳源，其特征在于，所述微环谐振腔型光滤波器由首尾相连的环形波导和耦合直波导组成，所述耦合直波导接收光脉冲并将光脉冲耦合至所述环形波导。

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