CN117096720A - 一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统及方法，系统包括连续光激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、声光移频器、第一模式耦合器、第二模式耦合器、第三模式耦合器、光纤环形谐振腔；光纤环形谐振腔由第一模式耦合器、第二模式耦合器、第三模式耦合器及少模光纤构成；通过以上系统，将单一的基模传输转变为在腔内高阶模和基模的耦合传输，从而分别产生光频梳，并合并成双光频梳。该系统用模式的交换避免光纤环形谐振腔的光纤环两个模式的速度差过度积累，使两路的光具有不同的环程时间，同时通过控制光纤环形谐振腔两段光纤的长度差，得到所需重频差的双光频梳。本发明的方案结构简单，易于制作，成本低，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器及光频梳产生系统领域，尤其涉及一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统及方法。
背景技术
光学频率梳在频谱上是由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱，在时域上则表现为超短激光脉冲序列。人类对光频梳的探索研究，使得光频梳光频梳的应用领域愈发广泛，从最开始的光谱检测，直到现在的光精度光频梳测距、光学原子钟、原子分子吸收光谱、雷达领域等一系列的科学研究当中。微环谐振腔可以产生较高重频的光频梳，但由于工艺的复杂，导致制作成本直线上升。而基于锁模激光器产生的光频梳，可以进行基本的传感检测，但是所需的光纤放大器、增益光纤等器材，使得系统复杂化，成本上也是更加高昂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统及方法，其中的系统包括：
连续光激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、声光移频器、第一模式耦合器、第二模式耦合器、第三模式耦合器、光纤环形谐振腔；
所述的光纤环形谐振腔由第一模式耦合器、第二模式耦合器、第三模式耦合器构成；第一模式耦合器与第二模式耦合器相连，第二模式耦合器还与第三模式耦合器相连；
所述连续光激光器与第一光耦合器连接，第一光耦合器的输出有两个分路；
第一光耦合器的第一分路与声光移频器连接，再与第二光耦合器的第一输入连接，第二光耦合器的输出有两个分路，第二光耦合器的第一分路输出第一光频梳；第二光耦合器的第二分路与第一模式耦合器连接；
第一光耦合器的第二分路与第三光耦合器的第一输入连接，第三光耦合器的输出有两个分路，第三光耦合器的第一分路输出第二光频梳，第三光耦合器的第二分路与第一模式耦合器连接；
第三模式耦合器的输出端口有两个分路，第三模式耦合器的第一分路连接第二光耦合器的第二输入，并从第二光耦合器的第一分路输出；第三模式耦合器的第二分路连接第三光耦合器的第二输入，并从第三光耦合器的第一分路输出。
进一步地，第一光耦合器的耦合系数为50％，第二光耦合器的耦合系数为5％，第三光耦合器的耦合系数为5％，第一光耦合器的第一分路的分配比例为50％，第二分路的分配比例为50％，第二光耦合器的第一分路的分配比例为5％，第二分路的分配比例为95％，第三光耦合器的第一分路的分配比例为5％，第二分路的分配比例为95％。
进一步地，所述连续光激光器输出波长为1550nm的连续光。
进一步地，所述光纤谐振腔的光纤环中第一模式耦合器和第二模式耦合器之间，以及第二模式耦合器和第三模式耦合器之间采用少模光纤连接，系统其他的部分全部采用单模光纤连接；
第一模式耦合器通过第一少模光纤与第二模式耦合器相连，第二模式耦合器还通过第二少模光纤与第三模式耦合器相连；
连续光激光器通过第一单模光纤与第一光耦合器连接，第一光耦合器的第一分路通过第二单模光纤与声光移频器连接，再通过第四单模光纤与第二光耦合器的第一输入连接，第二光耦合器的输出有两个分路，第二光耦合器的第一分路通过第五单模光纤输出第一光频梳；第二光耦合器的第二分路通过第八单模光纤与第一模式耦合器连接；
第一光耦合器的第二分路通过第三单模光纤与第三光耦合器的第一输入连接，第三光耦合器的输出有两个分路，第三光耦合器的第一分路通过第七单模光纤输出第二光频梳，第三光耦合器的第二分路通过第九单模光纤与第一模式耦合器连接；
第三模式耦合器的第一分路通过第十一单模光纤连接第二光耦合器的第二输入，并从第二光耦合器的第一分路输出，第三模式耦合器的第二分路通过第十单模光纤连接第三光耦合器的第二输入，并从第三光耦合器的第一分路输出。
进一步地，第一少模光纤、第二少模光纤为熊猫光纤，第一少模光纤、第二少模光纤的基模的色散值为0.8943ps/(nm·km)，三阶色散为0.0034ps3/km；高阶模的色散值为0.6508ps/(nm·km)，三阶色散为0.0022ps3/km；第一少模光纤、第二少模光纤的基模的自相位调制系数为0.0031W-1/m，高阶模的自相位调制系数为0.002W-1/m，两种模式的交叉相位调制系数为0.0019W-1/m；第一少模光纤、第二少模光纤的尺寸大小为：环芯圆心到内芯圆心距离32μm，内芯半径4μm，环芯直径45μm，光纤直径为25μm。
进一步地，光纤谐振腔的光纤环的长度为85m，从第一模式耦合器到第二模式耦合器的长度和从第二模式耦合器到第三模式耦合器的长度差根据所需重频差进行选择。
还提出一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生方法，基于上述的系统实现，具体实现过程为：
开启连续光激光器，产生连续光信号，该连续光信号通过第一光耦合器被分成两个分路，第一光耦合器的第一分路经过声光调制器到第二光耦合器中，第二光耦合器的输出为两个分路，第二光耦合器的第一分路输出第一光频梳，第二光耦合器的第二分路输出到谐振腔中，并通过第一模式耦合器将信号从基模变成高阶模，在腔内经过第二模式耦合器将信号从高阶模转换成基模，在腔内形成高阶模-基模的模式转换，最后通过第三模式耦合器，以基模从第二光耦合器的第一分路输出成第一光频梳；
第一光耦合器的第二分路经过第三光耦合器，第三光耦合器的输出为两个分路，第三光耦合器的第一分路输出第二光频梳，第三光耦合器的第二分路输出到谐振腔中，并通过第一模式耦合器，进入腔内时是基模，在腔内经过第二模式耦合器从基模转换成高阶模，在腔内形成基模-高阶模的模式转换，最后输出通过第三模式耦合器从高阶模转换成基模，以基模从第三光耦合器的第一分路输出成第二光频梳。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
与现有技术相比，本发明成功实现了一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统及方法，谐振腔的组成结构根据基模-高阶模和高阶模-基模两路的模式交替，产生稳定的双光频梳，具有广泛的应用领域；谐振腔中模式第一耦合器(OSDM1)到第二模式耦合器(OSDM2)的前半段少模光纤，和第二模式耦合器(OSDM2)到第三模式耦合器(OSDM3)的后半段少模光纤，通过灵活的控制长度差，可以得到不同重复频率差的双光频梳，可以灵活的控制重频差，同时，用了模式耦合器形成腔内基模-高阶模和高阶模-基模的模式交换，使得两个光频梳的环程时间差较小，即产生的双光频梳自由光谱范围(重复频率)差值较小；本发明的系统，不需要用到锁模激光器产生双光梳方式中的光纤放大器、增益光纤等实验器材，且系统结构简单，成本较低。
附图说明
图1是本发明实施一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统的结构框图；
图2是本发明实施例中所设计的少模光纤的结构示意图；
图3是本发明实施例中光纤环中两路光经历300圈环程的时域波形，图3(a)是光纤环中基模-高阶模和高阶模-基模两路的光经历300圈环程后的时域波形图；图3(b)是光纤环内经历的环程数；
图4是本发明实施例中偏振光经历300圈环程后光频梳1和光频梳2的频谱图，图4(a)是基模-高阶模和高阶模-基模两路光经历300圈环程后光频梳1的频谱图；图4(b)是基模-高阶模和高阶模-基模两路光经历300圈环程后光频梳2的频谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本实施例的本发明实施一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统的结构框图如图1，具体包括：
连续光激光器CW Laser、第一光耦合器OC1、第二光耦合器OC2、第三光耦合器OC3、声光移频器AOFS、第一模式耦合器OSDM1、第二模式耦合器OSDM2、第三模式耦合器OSDM3、光纤环形谐振腔。
连续光激光器输出波长为1550nm的连续光，激光器的输出功率为5W。
第一光耦合器的耦合系数为50％，第二光耦合器的耦合系数为5％，第三光耦合器的耦合系数为5％。
光纤环形谐振腔由第一模式耦合器OSDM1、第二模式耦合器OSDM2、第三模式耦合器OSDM3和第一少模光纤FMF1、第二少模光纤FMF2连接构成；第一模式耦合器OSDM1通过第一少模光纤FMF1与第二模式耦合器OSDM2相连，第二模式耦合器OSDM2还通过第二少模光纤FMF2与第三模式耦合器OSDM3相连。
连续光激光器CW Laser通过第一单模光纤SMF1与第一光耦合器OC1连接，第一光耦合器OC1的输出有两个分路，两个分路分配比例为50％:50％。
第一光耦合器OC1的第一分路通过第二单模光纤SMF2与声光移频器AOFS连接，再通过第四单模光纤SMF4与第二光耦合器OC2的第一输入连接，第二光耦合器OC2的输出有两个分路，第一分路的分配比例为5％，第二分路的分配比例为95％。
第二光耦合器OC2的第一分路通过第五单模光纤SMF5输出第一光频梳；第二光耦合器OC2的第二分路通过第八单模光纤SMF8与第一模式耦合器OSDM1连接。
第一光耦合器OC1的第二分路通过第三单模光纤SMF3与第三光耦合器OC3的第一输入连接，第三光耦合器OC3的输出有两个分路，第一分路的分配比例为5％，第二分路的分配比例为95％。
第三光耦合器OC3的第一分路通过第七单模光纤SMF7输出第二光频梳，第三光耦合器OC3的第二分路通过第九单模光纤SMF9与第一模式耦合器OSDM1连接。
第三模式耦合器OSDM3的输出端口有两个分路，第三模式耦合器OSDM3的第一分路通过第十一单模光纤SMF11连接第二光耦合器的第二输入，并从第二光耦合器OC2的第一分路输出成光频梳1，第三模式耦合器OSDM3的第二分路通过第十单模光纤SMF10连接第三光耦合器的第二输入，并从第三光耦合器OC3的第一分路输出成光频梳2。
光纤环形谐振腔的长度为85m，从第一模式耦合器OSDM1到第二模式耦合器OSDM2的长度和从第二模式耦合器OSDM2到第三模式耦合器OSDM3的长度差根据所需重频差进行灵活选择。调节腔内两段光纤从第一模式耦合器OSDM1到第二模式耦合器OSDM2的长度和从第二模式耦合器OSDM2到第三模式耦合器OSDM3的长度差，当失谐量较大时，两种模式的下表现出完全对称的时域特点(峰值、脉宽相等)。为了在对称传输过程中输出功率均衡的双模宽带光频梳需要将失谐量保持在腔孤子特性相同的区间范围内。对于非对称传输过程，考虑微调两段少模光纤的长度差，使两个模式下的腔孤子间存在一定群速度失配，引入重频差各自独立运转，从而获得模式复用双光频梳。
本发明实施例中所设计的少模光纤的结构示意图如图2所示，第一少模光纤FMF1、第二少模光纤FMF2为熊猫光纤，第一少模光纤FMF1、第二少模光纤FMF2的基模(LP01)的色散值为0.8943ps/(nm·km)，三阶色散为0.0034ps3/km；高阶模(LP11)的色散值为0.6508ps/(nm·km)，三阶色散为0.0022ps3/km；第一少模光纤FMF1、第二少模光纤FMF2的基模的自相位调制系数为0.0031W-1/m，高阶模的自相位调制系数为0.002W-1/m，两种模式的交叉相位调制系数为0.0019W-1/m；第一少模光纤、第二少模光纤的尺寸大小为：环芯圆心到内芯圆心距离d1＝32μm，内芯半径r1＝4μm，环芯直径d2＝45μm，光纤直径为D＝25μm。其中力棒由掺硼的石英组合而成，而纤芯又掺锗的石英组成，应力棒的核心材料是SiO2，掺硼浓度为25％。纤芯的掺锗浓度为12％。
本实施例还包括一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生方法，基于上述的系统实现，具体实现过程为：
开启连续光激光器CW Laser，产生连续光信号，该连续光信号通过第一光耦合器OC1被分成两个分路，第一光耦合器OC1的第一分路经过声光调制器AOFS到第二光耦合器OC2中，第二光耦合器OC2的输出为两个分路，第二光耦合器OC2的第一分路输出第一光频梳(光频梳1)，第二光耦合器OC2的第二分路输出到谐振腔中，并通过第一模式耦合器OSDM1将信号从基模(LP01)变成高阶模(LP11)，在腔内经过第二模式耦合器OSDM2将信号从高阶模(LP11)转换成基模(LP01)，在腔内形成高阶模(LP11)-基模(LP01)的模式转换，最后通过第三模式耦合器OSDM3，以基模(LP01)从第二光耦合器OC2的第一分路输出成第一光频梳(光频梳1)。
第一光耦合器OC1的第二分路经过第三光耦合器OC3，第三光耦合器OC3的输出为两个分路，第三光耦合器OC3的第一分路输出第二光频梳(光频梳2)，第三光耦合器OC3的第二分路输出到谐振腔中，并通过第一模式耦合器OSDM1，进入腔内时是基模(LP01)，在腔内经过第二模式耦合器OSDM2从基模(LP01)转换成高阶模(LP11)，在腔内形成基模(LP01)-高阶模(LP11)的模式转换，最后输出通过第三模式耦合器OSDM3从高阶模(LP11)转换成基模(LP01)，以基模(LP01)从第三光耦合器OSDM3的第一分路输出成第二光频梳(光频梳2)。通过腔内模式变换和前后两段长度差的变换，可以灵活地调节基模-高阶模和高阶模-基模两路的重频差，从而得到一种基于模式复用谐振腔的双光频梳。
在Matlab仿真软件中设置相关参量模拟光信号在光纤环谐振腔中的演化过程，设置连续波的中心波长在1550nm附近，功率设置为5W，设置分光比，将能量分为两等份输入两路光场，同时对腔内基模-高阶模和高阶模-基模两路叠加高斯脉冲，而后进入上述参数设置的光纤环形谐振腔中，以基模-高阶模一路的光场为参考，设置一定的长度差(在本例中设置的长度差为0.2m，重频差为2.56Hz)。
另外一路的光场中的脉冲，在时域发生“漂移”，仿真结果如图3和图4所示。图3(a)是光纤环中基模-高阶模和高阶模-基模两路的光经历300圈环程后的时域波形图，纵轴|E1,2|表示腔内两路的光的功率大小，单位为W，横轴是以高阶模-基模一路光信号传播的群速度为参考的快时间坐标，单位为ps。图3(b)是光纤环内经历的环程数，根据每圈的时域漂移量2.2ps(即每圈两路光信号的环程时间差)，已知光纤环的自由光谱范围为2.39MHz，则可以计算出两光频梳的重复频率差为2.56Hz。
图4(a)是基模-高阶模和高阶模-基模两路光经历300圈环程后光频梳1的频谱图，图4(b)是基模-高阶模和高阶模-基模两路光经历300圈环程后光频梳2的频谱图，横轴表示光信号在频域上的波长范围，单位为nm，纵轴表示光信号在不同波长下的强度，单位为dBm，从图4(a)和图4(b)中可以看到产生了两个光频梳。
综上所述，本发明提出的一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统及方法，可以将单一的基模传输转变为在腔内高阶模和基模的光场的耦合传输，从而分别产生光频梳，并合并成双光频梳。该系统采用自制的少模光纤，用模式的交换避免光纤环两个模式的速度差过度积累，使两路的光具有不同的环程时间，同时可以通过控制两段光纤的长度差，来得到所需重频差的双光频梳。同时光纤环谐振腔由耦合器和少模光纤组成，结构简单，易于制作，成本低，该方案产生的双光频梳在精密测距和传感领域都有广泛的前景。
需要说明的是，本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于，包括：
连续光激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、声光移频器、第一模式耦合器、第二模式耦合器、第三模式耦合器、光纤环形谐振腔；
所述的光纤环形谐振腔由第一模式耦合器、第二模式耦合器、第三模式耦合器构成；第一模式耦合器与第二模式耦合器相连，第二模式耦合器还与第三模式耦合器相连；
所述连续光激光器与第一光耦合器连接，第一光耦合器的输出有两个分路；
第一光耦合器的第一分路与声光移频器连接，再与第二光耦合器的第一输入连接，第二光耦合器的输出有两个分路，第二光耦合器的第一分路输出第一光频梳；第二光耦合器的第二分路与第一模式耦合器连接；
第一光耦合器的第二分路与第三光耦合器的第一输入连接，第三光耦合器的输出有两个分路，第三光耦合器的第一分路输出第二光频梳，第三光耦合器的第二分路与第一模式耦合器连接；
第三模式耦合器的输出端口有两个分路，第三模式耦合器的第一分路连接第二光耦合器的第二输入，并从第二光耦合器的第一分路输出；第三模式耦合器的第二分路连接第三光耦合器的第二输入，并从第三光耦合器的第一分路输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于，第一光耦合器的耦合系数为50％，第二光耦合器的耦合系数为5％，第三光耦合器的耦合系数为5％，第一光耦合器的第一分路的分配比例为50％，第二分路的分配比例为50％，第二光耦合器的第一分路的分配比例为5％，第二分路的分配比例为95％，第三光耦合器的第一分路的分配比例为5％，第二分路的分配比例为95％。
3.根据权利要求1所述的一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于，所述连续光激光器输出波长为1550nm的连续光。
4.根据权利要求1所述的一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于，所述光纤谐振腔的光纤环中第一模式耦合器和第二模式耦合器之间，以及第二模式耦合器和第三模式耦合器之间采用少模光纤连接，系统其他的部分全部采用单模光纤连接；
第一模式耦合器通过第一少模光纤与第二模式耦合器相连，第二模式耦合器还通过第二少模光纤与第三模式耦合器相连；
连续光激光器通过第一单模光纤与第一光耦合器连接，第一光耦合器的第一分路通过第二单模光纤与声光移频器连接，再通过第四单模光纤与第二光耦合器的第一输入连接，第二光耦合器的输出有两个分路，第二光耦合器的第一分路通过第五单模光纤输出第一光频梳；第二光耦合器的第二分路通过第八单模光纤与第一模式耦合器连接；
第一光耦合器的第二分路通过第三单模光纤与第三光耦合器的第一输入连接，第三光耦合器的输出有两个分路，第三光耦合器的第一分路通过第七单模光纤输出第二光频梳，第三光耦合器的第二分路通过第九单模光纤与第一模式耦合器连接；
第三模式耦合器的第一分路通过第十一单模光纤连接第二光耦合器的第二输入，并从第二光耦合器的第一分路输出，第三模式耦合器的第二分路通过第十单模光纤连接第三光耦合器的第二输入，并从第三光耦合器的第一分路输出。
5.根据权利要求4所述的一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于，第一少模光纤、第二少模光纤为熊猫光纤，第一少模光纤、第二少模光纤的基模的色散值为0.8943ps/(nm·km)，三阶色散为0.0034ps3/km；高阶模的色散值为0.6508ps/(nm·km)，三阶色散为0.0022ps3/km；第一少模光纤、第二少模光纤的基模的自相位调制系数为0.0031W-1/m，高阶模的自相位调制系数为0.002W-1/m，两种模式的交叉相位调制系数为0.0019W-1/m；第一少模光纤、第二少模光纤的尺寸大小为：环芯圆心到内芯圆心距离32μm，内芯半径4μm，环芯直径45μm，光纤直径为25μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生系统，其特征在于，光纤谐振腔的光纤环的长度为85m，从第一模式耦合器到第二模式耦合器的长度和从第二模式耦合器到第三模式耦合器的长度差根据所需重频差进行选择。
7.一种基于模式复用谐振腔的双光频梳产生方法，基于权利要求1-6任一项所述的系统实现，其特征在于，具体实现过程为：
开启连续光激光器，产生连续光信号，该连续光信号通过第一光耦合器被分成两个分路，第一光耦合器的第一分路经过声光调制器到第二光耦合器中，第二光耦合器的输出为两个分路，第二光耦合器的第一分路输出第一光频梳，第二光耦合器的第二分路输出到谐振腔中，并通过第一模式耦合器将信号从基模变成高阶模，在腔内经过第二模式耦合器将信号从高阶模转换成基模，在腔内形成高阶模-基模的模式转换，最后通过第三模式耦合器，以基模从第二光耦合器的第一分路输出成第一光频梳；
第一光耦合器的第二分路经过第三光耦合器，第三光耦合器的输出为两个分路，第三光耦合器的第一分路输出第二光频梳，第三光耦合器的第二分路输出到谐振腔中，并通过第一模式耦合器，进入腔内时是基模，在腔内经过第二模式耦合器从基模转换成高阶模，在腔内形成基模-高阶模的模式转换，最后输出通过第三模式耦合器从高阶模转换成基模，以基模从第三光耦合器的第一分路输出成第二光频梳。
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