CN116481644A - 一种产生双光梳的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种产生双光梳的装置和方法。该装置包括：光源、第一环形器、非线性介质、第二环形器和第一耦合器。其中，光源，用于输出一路泵浦光。第一环形器，用于将泵浦光传输至非线性介质，并将来自非线性介质的第一斯托克斯光和第一光频梳传输至第一耦合器。非线性介质，基于泵浦光生成第二光频梳和第一斯托克斯光，并基于第二斯托克斯光，生成第一光频梳。第一耦合器，基于第一斯托克斯光生成第二斯托克斯光，将第二斯托克斯光传输至第二环形器中，并输出双光梳的第一个光频梳。第二环形器，用于将第二斯托克斯光传输至非线性介质，并输出双光梳的第二个光频梳。本申请揭示的装置能够产生相干性较高和重频差较大的双光梳。
Description
技术领域
本申请涉及光频技术领域，并且，更具体地，涉及一种产生双光梳的装置和方法。
背景技术
双光梳光谱技术(dual-comb spectroscopy，DCS)是一种新兴的具有超高频谱分辨率、高灵敏度及高采样率的宽带光谱测量技术。该技术通过使用两个高相干、重复频率略微不同的光频梳，在不需要机械扫描移动装置的情况下将光频频谱映射到射频频谱，有效地提高测量速度和精度。由于优良的时域和频域特性，双光梳光谱技术在光谱测量方面体现出传统光谱测量技术无可比拟的优势，故而在诸多应用领域，如气体吸收谱测量、温室气体排放监控、非线性光谱成像等方面，都有着重要的应用。
两组光梳之间任何微小的脉冲时间抖动和载波相位波动，都会导致干涉图严重失真。因此，双光梳的互相干特性成为制约技术走向应用的关键。当前，主要发展出三种代表性的技术来提升双光梳的互相干性，包括相干双光梳、自适应双光梳、同源双光梳。同时，为了获得微秒级别的距离测量，实现重频差在兆赫兹量级的双光梳技术也在不断探索中，例如电光双光梳和微腔双光梳。因此，同时实现高相干特性和高重频差(△f)仍是双光梳技术面临的挑战。
发明内容
本申请提供一种产生双光梳的装置和方法。通过本申请的装置和方法，能够产生相干性较高以及重频差较大的双光梳。
第一方面，本申请实施例提供了一种产生双光梳的装置。该装置包括：光源、第一环形器、非线性介质、第二环形器和第一耦合器。所述光源，用于输出一路泵浦光。所述第一环形器，用于从所述第一环形器的第一端口接收所述泵浦光，并从所述第一环形器的第二端口输出所述泵浦光。所述第一环形器还用于从所述第一环形器的第二端口接收所述非线性介质输出的第一斯托克斯光和第一光频梳，并从所述第一环形器的第三端口输出所述第一斯托克斯光和所述第一光频梳。所述非线性介质，用于接收来自所述第一环形器的所述泵浦光，基于所述泵浦光生成第二光频梳和所述第一斯托克斯光，以及接收来自所述第二环形器的第二斯托克斯光，基于所述第二斯托克斯光，生成所述第一光频梳。所述第一耦合器，用于从所述第一耦合器的第一端口接收来自所述第一环形器的所述第一斯托克斯光和所述第一光频梳，从所述第一耦合器的第二端口输出所述第二斯托克斯光，以及从所述第一耦合器的第三端口输出所述双光梳中的第一个光频梳，其中，所述双光梳中的第一个光频梳包括所述第一光频梳。所述第二环形器，用于从所述第二环形器的第一端口接收来自所述第一耦合器的所述第二斯托克斯光，并从所述第二环形器的第二端口输出所述第二斯托克斯光，还用于从所述第二环形器的第二端口接收来自所述非线性介质的所述第二光频梳，并从所述第二环形器的第三端口输出所述第二光频梳，其中，所述第二光频梳为所述双光梳中的第二个光频梳。
基于上述方案，本申请通过非线性介质在泵浦光作用下，同时产生受激布里渊效应和四波混频效应，基于四波混频效应产生第一光频梳，通过两个环形器将受激布里渊效应产生的第一斯托克斯光频率的第二斯托克斯光重新输入至非线性介质中，产生第二光频梳。本申请提供的装置输出的两个光频梳同源，相干性较高。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第二斯托克斯光的功率与所述第一斯托克斯光的功率比值大于0.5。基于上述方案，使用功率较大的第二斯托克斯光能够使产生的所述第一光频梳包含的频率更多。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述装置还包括：光衰减器，所述光衰减器与所述第二环形器的第三端口相连，用于降低所述第二光频梳的功率。基于上述方案，利用光衰减器使得所述第二光频梳的功率能够调整，特别的，可以使所述第二光频梳的功率与所述第一光频梳的功率趋于相等，从而满足不同的应用场景的需求。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述装置还包括：第一光放大器，所述第一耦合器还用于从所述第一耦合器的第三端口输出第三光频梳，所述第一光放大器与所述第一耦合器的第三端口相连，用于放大所述第三光频梳的功率。基于上述方案，利用第一放大器使得所述第一光频梳的功率能够调整，特别的，可以使所述第一光频梳的功率与所述第二光频梳的功率趋于相等，从而满足不同的应用场景的需求。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述非线性介质为微环谐振器。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述光源包括第一光源和第二光放大器。所述第一光源，用于输出第一频率光。所述第二放大器，用于放大所述第一频率光的功率，生成所述泵浦光。基于上述方案，利用第二放大器放大第一频率光，使得光源输出的泵浦光的功率增加，能够提高产生光频梳的效率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一光源为可调谐连续光光源。基于上述方案，利用可调谐连续光光源，使得光源输出的泵浦光的波长可以变化，从而产生不同重频差的双光梳，以满足不同应用场景的需要。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述微环谐振腔的品质因数大于或者等于5×107。基于上述方案，在本申请的产生双光梳的装置中，可以采用较为常见的微环谐振腔，而不必苛求品质因数更大的微环谐振腔，节约了成本。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述非线性介质为非线性光纤，所述一路泵浦光包括两个频率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述光源包括第一光源、第二光源、第二耦合器、第二放大器，所述第一光源，用于输出第一频率光。所述第二光源，用于输出第二频率光。所述第二耦合器，用于将所述第一频率光与所述第二频率光耦合生成一路耦合光。所述第二光放大器，用于放大所述一路耦合光的功率，生成所述一路泵浦光。基于上述方案，利用第二放大器放大耦合光的功率，使得光源输出的泵浦光的功率增加，能够提高产生光频梳的效率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一光源和/或所述第二光源为可调谐连续光光源。基于上述方案，利用可调谐连续光光源，使得光源输出的泵浦光的波长可以变化，从而产生不同重频差的双光梳，以满足不同应用场景的需要。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一频率光与所述第二频率光的光功率不同。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一频率光与所述第二频率光的频率间隔的范围是100-200GHz。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述装置还包括：第一偏振控制器，所述第一偏振控制器放置在所述第一环形器与所述第一耦合器之间，所述第一偏振控制器用于改变所述第一频率光产生的斯托克斯光与所述第二频率光产生的斯托克斯光的偏振方向，以使得所述第一频率光产生的斯托克斯光与所述第二频率光产生的斯托克斯光的偏振方向一致。基于上述方案，利用放置在所述第一环形器与所述第一耦合器之间的第一偏振控制器，使得第一频率光产生的斯托克斯光与所述第二频率光产生的斯托克斯光的偏振方向保持一致，从而提高产生第一光频梳的效率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述装置还包括：第二偏振控制器，所述第二偏振控制器放置在所述第二耦合器与所述第一环形器之间，所述第二偏振控制器用于改变所述第一频率光与所述第二频率光的偏振方向，以使得所述第一频率光与所述第二频率光的偏振方向一致。基于上述方案，利用放置在所述第二耦合器与所述第一环形器之间的第二偏振控制器，调整第一频率光与第二频率光的偏振方向保持一致，从而提高产生第二光频梳的效率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述非线性光纤的非线性系数大于或者等于10/W/km。基于上述方案，在本申请的产生双光梳的装置中，可以采用较为常见的非线性光纤，而不必苛求非线性系数更大的非线性光纤，节约了成本。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述各装置可以通过光纤连接或者空间光学连接。
第二方面，本申请实施例提供了一种产生双光梳的方法。该方法包括：获取一路泵浦光，基于所述泵浦光生成第一光频梳和第一斯托克斯光，获取第二斯托克斯光，所述第二斯托克斯光是基于所述第一斯托克斯光获得的，基于所述第二斯托克斯光生成第二光频梳，输出所述第一光频梳和所述第二光频梳。
基于上述方案，本申请实施例提供的产生双光梳的方法基于一路泵浦光，使得产生的双光梳同源，相干性较高。
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，基于所述第二斯托克斯光生成包括不同频率的N个子光频梳，所述第二光频梳包括所述N个子光频梳，N为大于1的整数。
第三方面，本申请实施例提供了一种测距系统。该系统包括：双光梳生成模块、测量模块、光探测模块、频谱分析模块。所述双光梳生成模块，用于产生双光梳，包括如上述第一方面以及第一方面中任一种可能实现方式中的装置。所述测量模块，基于所述双光梳生成测量脉冲。所述光探测模块，接收所述测量脉冲输出测量频谱。所述频谱分析模块，基于所述测量频谱计算被测距离。
附图说明
图1示出了本申请实施例提供的一种产生双光梳的装置100的示意图。
图2示出了本申请实施例提供的一种产生双光梳的装置200的示意图。
图3示出了本申请实施例提供的以非线性介质为微环谐振器的产生双光梳的装置300的示意图。
图4示出了本申请实施例提供的双光梳的重频差随泵浦波长改变的示意图。
图5示出了本申请实施例提供的单个微环谐振器的基本结构示意图。
图6示出了本申请实施例提供的以非线性介质为非线性光纤的产生双光梳的装置600的示意图。
图7示出了本申请实施例提供的使用装置600模拟仿真得到的两个光梳的光谱示意图。
图8示出了本申请实施例提供的使用装置600模拟仿真得到的双光梳的重频差随泵浦光波长改变的示意图。
图9示出了本申请实施例提供的一种产生双光梳的方法900的示意性流程图。
图10示出了本申请实施例提供的一种测距系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
为了便于理解本申请实施例，作出以下说明。
第一、在下文示出的本申请实施例中的文字说明或者附图中的术语，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等以及各种数字编号仅为描述方便进行的区分，而不必用于描述特定的顺序或者先后次序，并不用来限制本申请实施例的范围。例如，在本申请实施例中用于区分环形器的不同端口或者区分不同的光束等。
第二、下文示出的本申请实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或者单元。
第三、在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示例子、例证或说明，被描述为“示例性的”或者“例如”的实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念，便于理解。
光学频率梳是在频域上包含一系列等间隔“梳齿”的锁模激光，在时域上表现为周期性的脉冲序列，具有良好的相位相干性和频率稳定性。随着精密光谱学和光学测量等重要技术的不断发展，光学频率梳成为了当前激光与时间频率学科研究的热门的前沿技术。其中，双光频梳技术在非线性光谱学与绝对距离测量等领域的应用最具有代表性。
当前产生双光梳的一种方法是采用两台频率锁定的锁模激光器作为双光梳光源。为了保证两台光频梳之间的高相干性，该方法需要复杂的电路系统来稳定光频梳，系统成本高昂且体积过于庞大。当前产生双光梳的另一种方法是利用电光调制器产生电光双光梳。虽然很容易实现10GHz以上的重频和MHz以上的重频差，但是，由于利用电光调制器产生光频梳的梳齿数量较少，通常需要经过放大和非线性扩谱来增加其光谱范围，增加了其系统复杂性。此外，还发展出了利用连续激光泵浦高品质因数的微腔产生双光梳以及利用单个锁模激光器产生双光梳的方法，但由于存在不同的缺点而不利于实际应用。基于上述问题，本申请提供了一种产生双光梳的装置和方法，利用非线性介质中的受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)效应和四波混频(four wave mixing，FWM)效应，在非线性介质中分别产生了正向和反向传输的光梳。该双光梳的重频差在兆赫兹量级且方便调节，适用于多应用场景的切换。此外，本申请产生双光梳的装置可采用当前通用的光学器件，能够极大地降低成本和增大适用范围。同时，该装置中由于没有机械位移部件，提升了生成双光梳的可靠性。
首先，对本申请实施例中涉及到的SBS效应和FWM效应进行简单说明。
SBS效应，也称为SBS散射或者声子散射，是非线性效应中的受激散射效应的一种。当注入非线性介质的光波功率超过某一阈值光功率后，由光波产生的磁致伸缩效应在非线性物质内激起超声波，入射光受超声波对入射的光波产生的反向散射，被散射的光将产生一个等于布里渊散射漂移频率的偏移，变为较低的光频，该频移光称为斯托克斯光。
FWM效应是非线性效应中的非线性折射率变化的一种。当入射光中的某一波长上的光使光纤的折射率发生改变时，会在不同的频率上产生光波相位的变化，从而产生新波长的光波。当FWM作用涉及四个不同的频率分量时，其为非简并的四波混频。当然还存在简并的四波混频，即四波混频中的两个频率重合。例如，利用一个单频的泵浦作为一个临近波长的信号光的放大源，在FWM过程中，每有一个光子被增加到信号光中(即实现放大)时，都会使用两个泵浦波长的光子，另外还在泵浦光波长的另一侧产生一个闲散波的光子。
图1示出了本申请实施例提供的一种产生双光梳的装置100的示意图。如图1所示，该装置100包括：光源101、第一环形器102、非线性介质103、第二环形器104以及第一耦合器105。
光源101用于输出一路泵浦光。第一环形器102用于从端口1(即图1中第一环形器编号1的端口)接收泵浦光，并从端口2输出泵浦光，还用于从端口2接收来自非线性介质103的第一斯托克斯光和第一光频梳并从端口3输出。非线性介质103用于接收来自第一环形器102的泵浦光，基于泵浦光生成第二光频梳和第一斯托克斯光，以及接收来自第二环形器104的第二斯托克斯光，基于第二斯托克斯光，生成第一光频梳。第一耦合器105用于从端口1接收来自第一环形器102的第一斯托克斯光和第一光频梳，从端口2输出第二斯托克斯光，从端口3输出第三光频梳。第二环形器104用于从端口1接收来自第一耦合器105的第二斯托克斯光，并从端口2输出第二斯托克斯光，还用于从端口2接收来自非线性介质103的第二光频梳并从端口3输出。
具体地，该光源101可以是可调谐连续激光器，能够连续输出稳定功率的不同频率激光，或者该光源101还可以是可调谐脉冲激光器，用于输出功率稳定的不同频率脉冲激光。基于该可调谐激光器产生的泵浦光，能够使得装置100产生的双光梳的重频差发生变化，从而满足不同的场景需求。
在一种可实现的方式中，第二斯托克斯光的功率与第一斯托克斯光的功率比值大于0.5。即该第一耦合器105将第一斯托克斯光分为功率不相等的第二斯托克斯光和第三斯托克斯光。通过将功率较大的第二斯托克斯光重新输入至非线性介质103中，能够提高产生第一光频梳的效率。
示例性地，该非线性介质103可以是微环谐振器、非线性光纤或者其他非线性介质，本申请对此不做限定。
可选地，如图2所示的装置100还包括光衰减器106和第一放大器107。其中，该光衰减器106与第二环形器104的端口3相连，用于降低第二光频梳的功率。第一放大器107与第一耦合器105的端口3相连，用于放大第三光频梳的功率。
具体地，各个元件之间可以通过空间光学连接，例如通过光波导或者棱镜等，或者光纤连接，例如可以是通过单模光纤连接。通过光纤连接时，第一耦合器可以是光纤耦合器。
基于本申请提供的产生双光梳的装置，利用一路泵浦光对非线性介质基于SBS效应和FWM效应产生两个光频梳，双光梳的相干性较高，且该双光梳的重频差为MHz量级，有利于实现在激光测距中亚微米量级的测量精度。此外，当光源可调时，该装置还能够产生不同重频差的双光梳，能够满足实际应用中的多场景切换。
接下来，以非线性介质为微环谐振器和非线性光纤对本申请实施例提供的产生双光梳的装置进行详细说明。
图3示出了本申请实施例提供的以非线性介质为微环谐振器的产生双光梳的装置300的示意图。如图3所示，该装置300包括：光源301、第一环形器302、微环谐振器303、第二环形器304以及第一耦合器305。
微环谐振器(micro-ring resonator，MMR)是制作在光波导上的微型环，它是由环半径为几十微米到几百微米的环形波导和直波导相互耦合构成，既可以是只有一个环的简单结构，也可以是由多个环通过串联、并联等方式构成阵列。
具体地，每个元件的连接关系以及光波传输路径为：该光源301的输出端与第一环形器302的端口1相连，第一环形器302的端口2与微环谐振器303的端口1相连，第一环形器302的端口3与第一耦合器305的端口1相连，第一耦合器305的端口2与第二环形器304的端口1相连，第二环形器304的端口2与微环谐振器303的端口2相连。
当光源301生成一路泵浦光后，该泵浦光通过光源301的输出端传输至第一环形器的端口1，该第一环形器从端口1将泵浦光接收后，从端口2将泵浦光输出，使该泵浦光传输至微环谐振器303的端口1，该微环谐振器303从端口1接收到泵浦光后，基于FWM效应和SBS效应产生与泵浦光传输方向相同的光频梳A和与泵浦光传输方向相反的第一斯托克斯光。其中，光频梳A从微环谐振器303的端口2输出，传输至第二环形器304的端口2，并从第二环形器304的端口3输出。第一斯托克斯光从微环谐振器303的端口1输出，传输至第一环形器302的端口2，并从第一环形器302的端口3输出，传输至第一耦合器305的端口1，被该第一耦合器305从端口1接收后，生成第二斯托克斯光和第三斯托克斯光，并分别从该第一耦合器305的端口2和端口3输出。该第二斯托克斯光从该第一耦合器305的端口2输出后，通过第二环形器304的端口1，输入至第二环形器304中，并从第二环形器304的端口2输出，传输至微环谐振器303的端口2，并回到该微环谐振器303中。该微环谐振器303基于该第二斯托克斯光生成与第二斯托克斯光传输方向相同的光频梳B，并从微环谐振器303的端口1输出，先后经过第一环形器302的端口2，第一环形器302的端口3、第一耦合器305的端口1，并经过第一耦合器305的分光，从该第一耦合器305的端口3输出。
示例性的，若泵浦光的频率为f，波长为λ，当该泵浦光输入至微环谐振器303后，产生的光频梳A的重复频率ΔfA可以通过微环谐振器的自由光谱范围(free spectralrange，FSR)计算，即下公式(1)进行计算，产生的第一斯托克斯光的频率fSBS可以通过如下公式(2)进行计算。
其中，c为光速，D为微环谐振器303的直径，ng为微环谐振器303的折射率，f＝C/λ为泵浦光的频率。
其中，f1为斯托克斯频移，va为该微环谐振器303中声子的速度。
该频率fSBS的第一斯托克斯光被第一耦合器305接收后，被第一耦合器305分成第二斯托克斯光和第三斯托克斯光，其中，第二斯托克斯光经过第二环形器304重新输入至微环谐振器303中，第三斯托克斯光通过第一耦合器305输出。
具体地，该第一耦合器305可以是分束器或者分光器或者其他具有分光作用的器件。
在一种可能的实现方式中，该第二斯托克斯光的光功率与该第三斯托克斯光的光功率不相等，且第二斯托克斯光的光功率大于该第三斯托克斯光的光功率。
示例性地，该第一耦合器可以是10dB的耦合器，可以将第一斯托克斯光分为90％功率占比的第二斯托克斯光和10％功率占比的第三斯托克斯光。
当第二斯托克斯光被微环谐振器303接收后，基于FWM效应，产生光频梳B，该光频梳B的重复频率ΔfB可以通过如下公式(3)进行计算，
其中，c为光速，D为微环谐振器303的直径，ng为微环谐振器303的折射率，fSBS为第一斯托克斯光的频率，通过上述公式(2)计算获得。
基于上述计算，可以得到该双光梳的重频差为ΔfB-ΔfA。
应理解，该光频梳B同样会经过第一环形器302再次被该第一耦合器305接收，通过该第一耦合器305分光后，产生光频梳C和光频梳D，该光频梳C被重新输入至环路，产生新的光频梳。
需要说明的是，该装置300环路产生光频梳是一个循环迭代的过程。也就是说，第一耦合器305输出的光频梳的频率在装置300到达稳态之前，是不断变化的。这是因为，该装置300产生的光频梳B的频率包括上述第二斯托克斯光的频率，当微环谐振器303基于该第二斯托克斯光的频率生成光频梳B时，会对该第二斯托克斯光的功率有一定的增益效果，当该光梳B经过第一耦合器分光后，又会使得该第二斯托克斯光的功率发生损耗。因此，该装置300稳定生成双光梳的条件是，该第二斯托克斯光的光功率的增益与第二斯托克斯光的光功率损耗相等，即第二斯托克斯光的光功率不再发生变化时，产生的光频梳的频率不会继续扩展，同时该第一耦合器305输出的光频梳不再有新的频率产生。
基于本申请提供的产生双光梳的装置，基于一路泵浦光在非线性介质中的FWM效应和SBS效应，产生与泵浦光频率不同的斯托克斯光，并分别通过泵浦光产生光频梳A，以及通过斯托克斯光产生光频梳B。由于线性介质中产生的光频梳的重复频率与波长相关，因此，双光梳的重复频率存在差值。在本申请的方案中，光频梳都是在同一环路内的相同非线性介质中产生的，因此，具有同源性质，相干性强的特点。
在其他可能实现的方式中，该装置300还可以包括一个衰减器306或者第一放大器307。应理解，第一耦合器由于分光作用，输出的光频梳的光功率相较于第二环形器304输出的光频梳A的光功率来讲，功率较低，因此可以通过在第二环形器304的端口3放置衰减器306或者在第一耦合器的端口3放置第一放大器307，来使得输出的双光梳的光功率能够调整，从而满足不同场景的应用需求。
在一种可能实现的方式中，在该装置300中，光源301可以是可调谐的连续激光光源，通过输出不同频率的泵浦光，能够实现对双光梳重频差的调节。
示例性地，图4示出了双光梳的重频差随泵浦波长的改变的示意图。若光源301的起始波长为1550nm，选择品质因数为5×107的硅基微环谐振器303，此时，将产生重复频率(即频率间隔)为22054.441MHz的光频梳A。同时，由于硅基微环谐振器303的布里渊频移约为10GHz，因此，第一斯托克斯光的波长为1550.8nm。第一斯托克斯光将反向耦合进入微环谐振器303中，并产生光频梳B。由于色散效应，即不同波长对应的群折射率不同，光频梳B的重复频率与光频梳A。由上述公式(3)得到光频梳B的重复频率为22054.587MHz，因此，在该系统中，双光梳的重复频率差为146kHz。当将光源301的输出泵浦光的波长由1500nm改变至1600nm的过程中，双光梳的重频差将由144kHz调节至150kHz，如图4所示。
在一种可能的实现方式中，该光源301还可以包括一个第二放大器308，利用该第二放大器308放大光源产生的光波的光功率，使得产生的泵浦光的光功率更大，从而提高装置300生成双光梳的效率。
示例性地，上述第一放大器307或者第二放大器308可以是掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)或者其他类型的放大器，本申请并不限定。
示例性地，图5示出了单个微环谐振器的基本结构示意图。其中，图5(a)是单环和单一直波导耦合的示意图，图5(b)是单环和两个平行直波导耦合的示意图，图5(c)是单环和两个垂直波导耦合的示意图，本申请装置300中的微环谐振器303并不限于图5中的任何一种结构，同时对于微环谐振器303到的尺寸，本申请也并不限定。
示例性地，为了提高双光梳的产生效率，该微环谐振器303可以采用常见的品质因数为5×107的微环谐振器，或者采用更大品质因数的微环谐振器。
应理解，在本申请的该实施例中，光频梳A对应图1或者图2说明中的第二光频梳，光频梳B对应图1或者图2说明中的第一光频梳。
图6示出了本申请实施例提供的以非线性介质为非线性光纤的产生双光梳的装置600的示意图。如图6所示，该装置600包括：光源601、第一环形器602、高非线性光纤(highlynonlinear fiber，HNLF)603、第二环形器604以及第一耦合器605。
在HNLF中，产生FWM效应是非简并的，即产生FWM效应的泵浦激光至少需要两个不同频率的光。因此，该装置600的光源601可以包括两个不同频率的光源，分别为第一光源611和第二光源612，第一光源611和第二光源输出的激光通过第二耦合器613耦合为一路激光，作为泵浦光输入。
具体地，每个元件的连接关系以及光波传输路径为：光源601中，第一光源611的输出端与第二耦合器613的端口1相连，用于将第一光源611输出的激光输入至第二耦合器613中，第二光源612的输出端与第二耦合器613的端口2相连，用于将第二光源612输出的激光输入至第二耦合器613中，该第二耦合器613将接收到的两路激光耦合为一路泵浦光，从第二耦合器613的端口3输出，并作为光源601的输出。光源601的输出端与第一环形器602的端口1相连，第一环形器602的端口2与HNLF603的端口1相连，第一环形器602的端口3与第一耦合器605的端口1相连，第一耦合器605的端口2与第二环形器604的端口1相连，第二环形器604的端口2与HNLF603的端口2相连。
当光源601生成一路泵浦光后，该泵浦光通过光源601的输出端传输至第一环形器的端口1，第一环形器在端口1接收到泵浦光后，从端口2将泵浦光输出，HNLF 603从端口1接收到该泵浦光，基于FWM效应和SBS效应产生与泵浦光传输方向相同的光频梳A和与泵浦光传输方向相反的第一斯托克斯光。其中，光频梳A从HNLF 603的端口2输出，传输至第二环形器604的端口2，并从第二环形器604的端口3输出。第一斯托克斯光从HNLF 603的端口1输出，传输至第一环形器602的端口2，并从第一环形器602的端口3输出，传输至第一耦合器605的端口1。该第一耦合器605从端口1接收第一斯托克斯光后，将第一斯托克斯光分成第二斯托克斯光和第三斯托克斯光，并分别从该第一耦合器605的端口2输出第二斯托克斯光以及从端口3输出第三斯托克斯光。该第二斯托克斯光从该第一耦合器605的端口2输出后，通过第二环形器604的端口1，从第二环形器604的端口2输出，传输至HNLF 603的端口2，回到该HNLF 603中，该HNLF 603基于该第二斯托克斯光生成与第二斯托克斯光传输方向相同的光频梳B，并从HNLF 603的端口1输出，通过第一环形器602的端口2，从第一环形器602的端口3输出、并通过第一耦合器605的端口1，从第一耦合器605的端口3输出。
需要说明的是，由于泵浦光包含两个频率，因此，HNLF 603基于泵浦光产生的第一斯托克斯光的频率包括两个。
示例性地，若泵浦光的频率包括f1、f2，波长分别为λ1、λ2，当该泵浦光输入至HNLF603后，产生的光频梳A的重复频率ΔfA为f2-f1，产生的第一斯托克斯光的频率fSBS包括f1-Δf1和f2-Δf2，其中，Δf1为频率为f1的光源在HNLF 603中产生的斯托克斯频移，Δf2为频率为f2的光源在HNLF 603中产生的斯托克斯频移，Δf1和Δf2的计算公式通过下式(4)和式(5)分别进行计算。
其中，c为光速，n1为当频率为f1时，HNLF 603的折射率，n2为当频率为f2时，HNLF603的折射率，va为该HNLF 603中声子的速度。
该第一斯托克斯光被第一耦合器605按照功率分为第二斯托克斯光和第三斯托克斯光，该第二斯托克斯光从第一耦合器605的端口2输出，并通过第二环形器604的端口1，从第二环形器604的端口2输出，传输至HNLF 603的端口2，回到该HNLF 603中。因为第一耦合器605基于第一斯托克斯光生成第二斯托克斯光时，仅对第一斯托克斯光的功率进行重新分配，换句话说，第一斯托克斯光与第二斯托克斯光仅在于功率不同。当该第二斯托克斯光回到HNLF 603后，会通过FWM效应产生一个频率间隔ΔfB为(f1-Δf1)-(f2-Δf2)的光频梳B。该光频梳B到达第一耦合器605后，该第一耦合器605会将该光频梳B按照功率分为光频梳C和光频梳D，其中，光频梳C从第一耦合器605的端口2输出，并通过第二环形器604的端口1，从第二环形器604的端口2输出，传输至HNLF 603的端口2，回到该HNLF 603中。
综上可知，该光频梳A个光频梳B的重复频率差为Δf1-Δf2。
应理解，光频梳B所包含的频率中包括上述第二斯托克斯光的两个频率。因此，由光频梳B产生的光频梳C和光频梳D同样包括第二斯托克斯光的两个频率。当该光频梳C被重新输入至环路，即该第二斯托克斯光被重新输入至HNLF 603后，会产生新的光频梳。
应理解，装置600产生光频梳的过程仍然是一个循环迭代的过程，可以参考上述对装置300的相关说明，此处不再赘述。
基于本申请提供的产生双光梳的装置，基于一路泵浦光在非线性介质HNLF中的FWM效应和SBS效应，产生双光梳，又因为产生双光梳的光的波长不同，因此，双光梳的重复频率存在差值。在本申请的方案中，光频梳都是在相同的非线性介质HNLF中产生的，因此，具有同源性质，相干性强的特点。
其中，装置600中的第一耦合器605可以对应于上述图3中的第一耦合器305，此处不再赘述。该第二耦合器613可以是合波器或者波分复用器。
示例性地，该第二耦合器可以是3dB的耦合器，该3dB的耦合器对输入的两路光的光功率衰减效果相同。
在一种可能是实现方式中，该装置600还可以包括一个衰减器606或者第一放大器607。可以对应于图3中的衰减器306和第一放大器307，此处不再赘述。
在一种可能的实现方式中，该光源601还可以包括一个第二放大器608，利用该第二放大器608放大光源产生的光波的光功率，使得产生的泵浦光的光功率更大，从而提高装置600生成双光梳的效率。
此外，上述第一放大器607或者第二放大器608可以是EDFA或者其他类型的放大器，本申请并不限定。
可选地，装置600还包括第一偏振控制器609。该第一偏振器609放置在光源601和第一环形器602之间，该第一偏振器609的输入端与光源601的输出端相连，该第一偏振器609的输出端与第一环形器602的端口1相连，用于调节泵浦光中包含的两个光波的偏振方向，使得两个频率的光的偏振方向基本一致，从而提高产生光频梳的效率。
可选地，该装置还包括第二偏振控制器610。该第一偏振器610放置在第一环形器602和第一耦合器605之间，该第二偏振器610的输入端与第一环形器602的端口3相连，该第二偏振器610的输出端与第一耦合器605的端口1相连，用于调节第一斯托克斯光中的两个频率的斯托克斯光，使得它们的偏振方向接近一致，以提高产生光梳的效率。
具体地，第一偏振器609和第二偏振控制器610可以是光纤偏振控制器或者波片组。
具体地，在该装置600中，光源601中的第一光源和/或第二光源可以是可调谐的连续激光光源，通过输出不同频率的泵浦光，能够实现对双光梳重频差的调节。
示例性地，当两个CW光的波长分别为1550nm和1550.8nm时，模拟仿真得到的两个光梳的光谱如图7所示。在图7中，光频梳A为图7(a)，光频梳B为图7(b)。光频梳A的重复频率为100GHz，光频梳B的重复频率为100.006GHz，双光梳的重频差为6MHz。同时，将第二光源的波长由1550.8nm调节至1551.6nm，双光梳的重频差由6MHz调节至10MHz，如图8所示。
图9示出了本申请实施例提供的一种产生双光梳的方法900的示意性流程图。具体地，该方法900可以应用于如图1所示的装置中。结合图1，对该方法900进行说明。如图9所述，该方法包括如下多个步骤。
S901，获取一路泵浦光。
具体地，利用光源101生成一路泵浦光。
S902，基于泵浦光生成第一光频梳和第一斯托克斯光。
具体地，非线性介质103利用泵浦光生成第一光频梳(对应图1中的第二光频梳)和第一斯托克斯光。其中，第一斯托克斯光的传输方向与第一光频梳的传输方向相反。
S903，获取第二斯托克斯光，第二斯托克斯光是基于第一斯托克斯光获得的。
具体地，该第一斯托克斯光经过第一环形器102传输至第一耦合器105中，第一耦合器105按照功率将第一斯托克斯光分为第二斯托克斯光和第三斯托克斯光。
S904，基于第二斯托克斯光生成第二光频梳。
具体地，第二斯托克斯光经过第二环形器104回到非线性介质103中，非线性介质103利用该第二斯托克斯光产生与第一斯托克斯光传输方向相同的第二光频梳。
S905，输出第一光频梳和第二光频梳。
具体地，第二环形器104输出第一光频梳，第一耦合器105输出第二光频梳。应理解，图1所示的装置最终输出的第二光频梳中的频率是多次叠加的结果。具体地，由于基于第二斯托克斯光产生的第二光频梳仍然会被第一耦合器按照功率分为第四光频梳和第三光频梳，该第四光频梳回到非线性介质103后，会产生新的光频梳的频率，即，第四光频梳的频率会由于再一次的非线性介质的非线性作用得到展宽。
需要说明的是，虽然再次进入非线性介质的为第四光频梳，但引发非线性效应的频率光仍然是频率为第一斯托克斯光的频率光。这是很容易理解的，因为在该装置中，第一耦合器105输出的光仅与输入光的光功率不同，并不会改变输入光的频率，同时，非线性介质103输出的反方向(即第一斯托克斯光的方向)光频梳所包含的频率，均存在第一斯托克斯光的频率。
由于非线性介质中产生的光频梳的频率与光功率相关，因此，当频率为第一斯托克斯光频的光在非线性介质103中的增益等于在第一耦合器105中的衰减时，该装置达到稳态，即第一耦合器输出的光频梳的频率不再发生变化。
基于上述方案，本申请提供的产生双光梳的方法，是一种基于单腔双光梳的产生方案，在布里渊环形腔内同时产生正向传输和反向传输的光频梳，双光梳同源，相干性高。
图10示出了本申请提供的一种利用双光梳测量的系统示意图。如图10所示，为应用双光梳进行测量距离的系统。该系统包括，双光梳产生装置1001、光衰减器1002、第一分光镜1003、参考镜1004、测量镜1005，第二分光镜1006、光电探测器1007和频谱仪1008。
具体地，双光梳产生装置1001输出第一光频梳和第二光频梳，并分别作为测量光梳和参考光梳。由于两个光梳的功率差约为10倍，因此，在第一光频梳的出射端增加光衰减器1002，调节第一光频梳的光功率，使之与第二光频梳的功率相同。
第一光频梳到达第一分光镜后，被第一分光镜分成两路，一路到达参考镜，一路到达测量镜，并分别被参考镜和测量镜反射后，成为具有一定时间延时Δτ的脉冲序列，两列脉冲经过第一分光镜合光后再与第二光梳发出的采样脉冲在第二分光镜处合光，最后被探测器接收，在每隔1/Δf的测量周期内分别得到一个参考干涉信号Ir和一个测量干涉信号Im。则可以获得被测距离，该被测距离L可以通过如下公式(6)计算：
其中，vg为光脉冲的群速度，Δτ为参考干涉信号Ir与测量干涉信号Im之间的时间延迟，通过频谱仪测量得到，Δf为双光梳重频差，Δf1为第一光频梳的重复频率。测距精度可以表示为1/Δf，由于双光梳产生系统重频差可以达到10MHz，因此，测距精度可以达到0.1微米。
基于上述方案，本申请提供的产生双光梳的装置应用在测距系统中时，由于双光梳的重频差较小，因此可以获得更高精度的测距精度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置和系统。本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置和系统的流程图和/或方框图来描述的。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (17)
1.一种产生双光梳的装置，其特征在于，包括：光源、第一环形器、非线性介质、第二环形器和第一耦合器，其中：
所述光源，用于输出一路泵浦光；
所述第一环形器，用于从所述第一环形器的第一端口接收所述泵浦光，并从所述第一环形器的第二端口输出所述泵浦光，还用于从所述第一环形器的第二端口接收所述非线性介质输出的第一斯托克斯光和第一光频梳，并从所述第一环形器的第三端口输出所述第一斯托克斯光和所述第一光频梳；
所述非线性介质，用于接收来自所述第一环形器的所述泵浦光，基于所述泵浦光生成第二光频梳和所述第一斯托克斯光，以及接收来自所述第二环形器的第二斯托克斯光，基于所述第二斯托克斯光，生成所述第一光频梳；
所述第一耦合器，用于从所述第一耦合器的第一端口接收来自所述第一环形器的所述第一斯托克斯光和所述第一光频梳，从所述第一耦合器的第二端口输出所述第二斯托克斯光，以及从所述第一耦合器的第三端口输出所述双光梳中的第一个光频梳，其中，所述双光梳中的第一个光频梳包括所述第一光频梳；
所述第二环形器，用于从所述第二环形器的第一端口接收来自所述第一耦合器的所述第二斯托克斯光，并从所述第二环形器的第二端口输出所述第二斯托克斯光，还用于从所述第二环形器的第二端口接收来自所述非线性介质的所述第二光频梳，并从所述第二环形器的第三端口输出所述第二光频梳，其中，所述第二光频梳为所述双光梳中的第二个光频梳。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述第二斯托克斯光的功率与所述第一斯托克斯光的功率比值大于0.5。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：光衰减器，其中，所述光衰减器与所述第二环形器的第三端口相连，用于降低所述第二光频梳的功率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第一光放大器，其中，所述第一耦合器还用于从所述第一耦合器的第三端口输出第三光频梳，所述第一光放大器与所述第一耦合器的第三端口相连，用于放大所述第三光频梳的功率。
5.根据1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述非线性介质为微环谐振器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光源包括第一光源和第二光放大器，其中，
所述第一光源，用于输出第一频率光；
所述第二放大器，用于放大所述第一频率光的功率，生成所述泵浦光。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述微环谐振腔的品质因数大于或者等于5×107。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述非线性介质为非线性光纤，所述一路泵浦光包括两个频率。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述光源包括第一光源、第二光源、第二耦合器和第二放大器，其中，
所述第一光源，用于输出第一频率光；
所述第二光源，用于输出第二频率光；
所述第二耦合器，用于将所述第一频率光与所述第二频率光耦合生成一路耦合光；
所述第二光放大器，用于放大所述一路耦合光的功率，生成所述一路泵浦光。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一频率光与所述第二频率光的光功率不同。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述第一频率光与所述第二频率光的频率间隔的范围是100-200GHz。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第一偏振控制器，其中：
所述第一偏振控制器放置在所述第一环形器与所述第一耦合器之间，所述第一偏振控制器用于改变所述第一频率光产生的斯托克斯光与所述第二频率光产生的斯托克斯光的偏振方向，以使得所述第一频率光产生的斯托克斯光与所述第二频率光产生的斯托克斯光的偏振方向一致。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第二偏振控制器，其中：
所述第二偏振控制器放置在所述第二耦合器与所述第一环形器之间，所述第二偏振控制器用于改变所述第一频率光与所述第二频率光的偏振方向，以使得所述第一频率光与所述第二频率光的偏振方向一致。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述非线性光纤的非线性系数大于或者等于10/W/km。
15.一种产生双光梳的方法，其特征在于，包括：
获取一路泵浦光；
基于所述泵浦光生成第一光频梳和第一斯托克斯光；
获取第二斯托克斯光，所述第二斯托克斯光是基于所述第一斯托克斯光获得的；
基于所述第二斯托克斯光生成第二光频梳；
输出所述第一光频梳和所述第二光频梳。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基于所述第二斯托克斯光生成第二光频梳，包括：
基于所述第二斯托克斯光生成包括不同频率的N个子光频梳，所述第二光频梳包括所述N个子光频梳，N为大于1的整数。
17.一种测距系统，其特征在于，包括：双光梳生成模块、测量模块、光探测模块和频谱分析模块，其中：
所述双光梳生成模块，用于产生双光梳，包括如权利要求1至14中任一项所述的装置；
所述测量模块，基于所述双光梳生成测量脉冲；
所述光探测模块，接收所述测量脉冲输出测量频谱；
所述频谱分析模块，基于所述测量频谱计算被测距离。
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|---|---|
| CN116481644A true CN116481644A (zh) | 2023-07-25 |
Family
ID=87216415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210040956.9A Pending CN116481644A (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 一种产生双光梳的装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116481644A (zh) |
-
2022
- 2022-01-14 CN CN202210040956.9A patent/CN116481644A/zh active Pending
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