CN220797412U - 一种基于注入锁定的双光频梳源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于注入锁定的双光频梳源，包括激光驱动器、三个半导体激光器、三个波导分束器、波导滤波器和波导合束器，激光驱动器驱动三个半导体激光器，每个半导体激光器对应一个波导分束器，三个波导分束器、波导滤波器和波导合束器集成在一个光芯片上。一个半导体激光器工作于连续波模式，连续输出外注入连续光，外注入连续光经过波导滤波器和波导分束器后分为两组特定频率的外注入连续光，分别注入到另外两个工作频率不同的半导体激光器中，此两个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，基于滤波后的外注入连续光，此两个半导体激光器工作在注入锁定模式下分别产生光频梳，两个光频梳合束后形成双光频梳。

Description

一种基于注入锁定的双光频梳源

技术领域

本申请属于光频梳源领域，具体而言，涉及一种基于注入锁定的双光频梳源。

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”。其中双光频梳在环境监测、先进制造、国防军工等领域具有重要的应用，其应用场景也从先进的计量实验室转到各种工业现场应用。

在双光频梳光谱测量中，一个重频为f的光频梳作为信号，用另一个重频为f+Δf(Δf＜＜f)的光频梳对信号频梳进行采样，使用数据采集卡采集双光频梳的时域信号，通过傅立叶变换还原待测物体的频域信息。传统上双光频梳由两个独立运行的飞秒锁模激光器或两个频率相互锁定的超短脉冲锁模激光器产生。两个锁模激光器的激光腔长度存在微小的差别，使两个锁模激光器具有不同的重复频率。在频域上，相邻的两个频梳梳齿之间存在精确确定的频率差，用光电探测器探测后得到频率间隔为Δf的射频频梳，从而将信号的频率从光频转换到射频域，易于使用现有的电学设备(如示波器、频谱仪、数据采集卡等)进行测量检测，其测量精度相对于传统傅立叶光谱分析仪具有更高的测量精度、灵明度和测量速度，因此双光频梳测量近年来得到快速的发展。

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。已经报道的微腔克尔双光频梳都是使用两个微环谐振腔分别产生一个光频梳，再将两个光频梳耦合在一起形成光频梳，此类双光频梳需要将两个光频梳的泵浦光进行频率锁定，且需要同时稳定两个微环的工作环境，因此结构复杂，成本昂贵，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注入锁定的双光频梳源，将一个半导体激光器产生的连续光作为另外两个半导体激光器的外注入光，实现此两个半导体激光器的注入锁定以及相应的分别产生光频梳，产生的两个光频梳通过波导合束器形成双光频梳。其具体方案如下：

本申请公开了一种基于注入锁定的双光频梳源，包括激光驱动器、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第一波导分束器、第二波导分束器、第三波导分束器、波导滤波器和波导合束器，所述第一波导分束器、所述第二波导分束器、所述第三波导分束器、所述波导滤波器和所述波导合束器集成在一个光芯片上；

所述激光驱动器分别与所述第一半导体激光器、所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器连接，用于驱动所述第一半导体激光器、所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器；所述第一半导体激光器工作于连续波模式，用于连续输出外注入连续光；所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器均工作于增益开关模式，基于外注入连续光输出光频梳脉冲，所述第二半导体激光器的工作频率与所述第三半导体激光器的工作频率不同；所述第一波导分束器、所述第二波导分束器和所述第三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，所述波导滤波器的一端连接所述第一半导体激光器，另一端连接所述第一波导分束器的第一上端口或第一下端口，所述第一波导分束器的第二上端口连接所述第二波导分束器的第二下端口，所述第一波导分束器的第二下端口连接所述第三波导分束器的第二上端口，所述第二波导分束器的第一上端口或第一下端口与所述第二半导体激光器连接，所述第二波导分束器的第二上端口与所述波导合束器的一个输入端口连接，所述第三波导分束器的第一上端口或第一下端口与所述第三半导体激光器连接，所述第三波导分束器的第二下端口与所述波导合束器的另一个输入端口连接。

优选地，所述第一波导分束器的分束比为50:50，所述第二波导分束器的分束比和所述第三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，所述双光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导衰减器，用于对接收的外注入连续光的强度衰减，所述波导衰减器的一端连接所述波导滤波器，另一端连接所述第一波导分束器的第一上端口或第一下端口。

进一步地，所述双光频梳源还包括集成在所述光芯片上的可调光延时芯片，所述可调光延时芯片设置在所述第二波导分束器或所述第三波导分束器与所述波导合束器的连接路径上，用于对从所述第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲或从所述第三波导分束器的第二下端口输出的光频梳脉冲延时处理，使从所述第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲和从所述第三波导分束器的第二下端口输出的光频梳脉冲同时到达所述波导合束器。

优选地，所述波导衰减器由第四波导分束器、第一传输波导、第二传输波导、第五波导分束器和相位调制器组成，所述第四波导分束器和所述第五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四波导分束器的第三上端口和所述第五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四波导分束器的第三下端口和所述第五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，所述第一半导体激光器为分布式反馈激光器，所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器均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微控制器、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块和第三驱动电路模块，所述微控制器分别与所述第一驱动电路模块、所述第二驱动电路模块和所述第三驱动电路模块连接，用于控制所述第一驱动电路模块、所述第二驱动电路模块和所述第三驱动电路模块，所述第一驱动电路模块用于驱动所述第一半导体激光器，所述第二驱动电路模块用于驱动所述第二半导体激光器，所述第三驱动电路模块用于驱动所述第三半导体激光器。

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外注入连续光并将外注入连续光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注入锁定的双光频梳源，包括激光驱动器、三个半导体激光器、三个波导分束器、波导滤波器和波导合束器，激光驱动器驱动三个半导体激光器，每个半导体激光器对应一个波导分束器，三个波导分束器、波导滤波器和波导合束器集成在一个光芯片上。一个半导体激光器在激光驱动器的作用下工作于连续波模式，连续输出外注入连续光，外注入连续光经过波导滤波器和波导分束器后分为两组特定频率的外注入连续光，分别注入到另外两个工作频率不同的半导体激光器中，此两个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，基于滤波后的外注入连续光，此两个半导体激光器工作在注入锁定模式下，分别产生光频梳，两个光频梳合束后形成双光频梳。两个工作于增益开关模式下的半导体激光器采用同一个半导体激光器输出的外注入连续光注入锁定，因此两个半导体激光器输出的光频梳的中心频率一致，而工作于增益开关模式下的两个半导体激光器的工作频率不同，所以此两个半导体激光器输出的光频梳具有稳定的频率差，从而能够形成双光频梳。

此外，经过滤波后的外注入连续光的频率与工作于增益开关模式下的两个半导体激光器自发辐射输出的脉冲的某一频率一致，因此当外注入连续光反馈注入至此两个半导体激光器后，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，此两个半导体激光器输出的每个脉冲都是基于外注入锁定作用，而不是随机的自发发射，因此输出的光脉冲具有更清晰的梳状线和可区分的梳状线间隔且具有更高的梳齿平坦度和相干性。本申请提供的双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注入锁定的双光频梳源的结构示意图；

图2为本申请中第一波导分束器、第二波导分束器和第三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注入锁定的双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提供的一种基于注入锁定的双光频梳源的结构示意图；

图6为本申请形成的双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为本申请激光驱动器中第二驱动电路模块和第三驱动电路模块的结构示意图；

图9为本申请中MZ不等臂干涉仪的结构示意图；

图10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11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。

双光频梳在环境监测、先进制造、国防军工等领域具有重要的应用，其应用场景已从先进的计量实验室转到各种工业现场应用。

在双光频梳光谱测量中，一个重频为f的光频梳作为信号，用另一个重频为f+Δf(Δf＜＜f)的光频梳对信号频梳进行采样，使用数据采集卡采集双光频梳的时域信号，通过傅立叶变换还原待测物体的频域信息。传统上双光频梳由两个独立运行的飞秒锁模激光器或两个频率相互锁定的超短脉冲锁模激光器产生。两个锁模激光器的激光腔长度存在微小的差别，使两个锁模激光器具有不同的重复频率。在频域上，相邻的两个频梳梳齿之间存在精确确定的频率差，用光电探测器探测后得到频率间隔为Δf的射频频梳，从而将信号的频率从光频转换到射频域，易于使用现有的电学设备(如示波器、频谱仪、数据采集卡等)进行测量检测，其测量精度相对于传统傅立叶光谱分析仪具有更高的测量精度、灵明度和测量速度，因此双光频梳测量近年来得到快速的发展。

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。已经报道的微腔克尔双光频梳都是使用两个微环谐振腔分别产生一个光频梳，再将两个光频梳耦合在一起形成光频梳，此类双光频梳需要将两个光频梳的泵浦光进行频率锁定，且需要同时稳定两个微环的工作环境，因此结构复杂，成本昂贵，系统稳定性较差。

基于此，本申请提供一种基于注入锁定的双光频梳源，如图1所示，包括激光驱动器、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第一波导分束器、第二波导分束器、第三波导分束器、波导滤波器和波导合束器，第一波导分束器、第二波导分束器、第三波导分束器、波导滤波器和波导合束器集成在一个光芯片上；

在本实用新型的一个实施例中，当光芯片的材料为硅基二氧化硅时，三个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。在本实用新型的另一个实施例中，当光芯片的材料为三五族材料如磷化铟(I nP)、砷化镓(GaAs)时，三个半导体激光器可以直接集成在光芯片上。

激光驱动器分别与第一半导体激光器、第二半导体激光器和第三半导体激光器连接，用于驱动第一半导体激光器、第二半导体激光器和第三半导体激光器；第一半导体激光器工作于连续波模式，用于连续输出外注入连续光；第二半导体激光器和第三半导体激光器均工作于增益开关模式，基于外注入连续光输出光频梳脉冲，第二半导体激光器的工作频率与第三半导体激光器的工作频率不同；第一波导分束器、第二波导分束器和第三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；波导滤波器的一端连接第一半导体激光器，另一端连接第一波导分束器的第一上端口或第一下端口，第一波导分束器的第二上端口连接第二波导分束器的第二下端口，第一波导分束器的第二下端口连接第三波导分束器的第二上端口，第二波导分束器的第一上端口或第一下端口与第二半导体激光器连接，第二波导分束器的第二上端口与波导合束器的一个输入端口连接，第三波导分束器的第一上端口或第一下端口与第三半导体激光器连接，第三波导分束器的第二下端口与波导合束器的另一个输入端口连接。

在本申请中，第一半导体激光器、第二半导体激光器和第三半导体激光器均由激光驱动器驱动工作。在激光驱动器的驱动下，第一半导体激光器工作于连续波模式，连续输出外注入连续光；第二半导体激光器和第三半导体激光器在激光驱动器的驱动下均工作于增益开关模式，基于外注入连续光输出光频梳脉冲，第二半导体激光器的工作频率与第三半导体激光器的工作频率不同，具有微小的频率差。

第一半导体激光器输出的外注入连续光输入波导滤波器进行滤波处理，使输入其上的外注入连续光的中心光谱线更窄，优选典型达到小于100MHz。为了实现第二半导体激光器和第三半导体激光器的外注入锁定，其中一个重要的条件是注入到第二半导体激光器和第三半导体激光器的光脉冲波长与第二半导体激光器和第三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外注入连续光进行滤波处理。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。

经过滤波后的外注入连续光通过第一波导分束器进行能量分割形成两组外注入连续光，一组外注入连续光通过第二波导分束器输入至第二半导体激光器，作为第二半导体激光器的外注入光，另一组外注入连续光通过第三波导分束器输入至第三半导体激光器，作为第三半导体激光器的外注入光，第二半导体激光器和第三半导体激光器基于外注入光实现注入锁定，分别输出光频梳脉冲，第二半导体激光器输出的光频梳脉冲和第三半导体激光器输出的光频梳脉冲通过波导合束器的合束形成双光频梳。

本申请中的第一波导分束器、第二波导分束器、第三波导分束器可以是定向耦合器、多模干涉仪(MM I)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。具体地，设置第一波导分束器的分束比为50:50，使滤波后的外注入连续光一分为二，分别输入至第二半导体激光器和第三半导体激光器。为了保证第二半导体激光器和第三半导体激光器输出的光频梳脉冲绝大部分能量输入至波导合束器以及只有少量的外注入连续光输入至第二半导体激光器和第三半导体激光器，设置第二波导分束器的分束比和第三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。也即是第二波导分束器和第三波导分束器能够将输入其上的光脉冲或连续按照(90+N)：(10-N)的比例能量分束。具体的，第二波导分束器和第三波导分束器的分束比可以为99:1，或95:5等。

第二半导体激光器和第三半导体激光器均采用第一半导体激光器输出的外注入连续光注入锁定，因此第二半导体激光器和第三半导体激光器输出的光频梳的中心频率一致，而第二半导体激光器和第三半导体激光器的工作频率不同，所以第二半导体激光器输出的光频梳和第三半导体激光器输出的光频梳在每个脉冲周期内相邻频梳(一个频梳为第二半导体激光器输出，另一个频梳为第三半导体激光器输出)梳齿之间具有稳定的频率差，能够形成双光频梳。

经过滤波后的外注入连续光的频率与第二半导体激光器和第三半导体激光器自发辐射输出的脉冲的某一频率一致，因此当外注入连续光反馈注入至第二半导体激光器和第三半导体激光器后，这两个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。由于第二半导体激光器和第三半导体激光器输出的每个脉冲都是基于外注入锁定作用，而不是随机的自发发射，因此输出的光脉冲具有更清晰的梳状线和可区分的梳状线间隔且具有更高的梳齿平坦度和相干性。本申请提供的双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。

在本实用新型的另一个实施例中，双光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导衰减器，用于对接收的外注入连续光的强度衰减，波导衰减器的一端连接波导滤波器，另一端连接第一波导分束器的第一上端口或第一下端口。基于此实施例的双光频梳源结构如图3所示。

为了保证第二半导体激光器和第三半导体激光器的注入锁定成功，另一个重要的条件是反馈注入至第二半导体激光器和第三半导体激光器的外注入连续光的光强不能太高，否则外注入连续光会影响第二半导体激光器和第三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外注入连续光的光强衰减，调节外注入连续光的光强。

在本申请的一个实施例中，波导衰减器由第四波导分束器、第一传输波导、第二传输波导、第五波导分束器和相位调制器组成，结构如图4所示，第四波导分束器和第五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四波导分束器的第三上端口和第五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四波导分束器的第三下端口和第五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，波导衰减器中的第四波导分束器和第五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外注入连续光进行相位调制，与第一传输波导上传输的外注入连续光形成相位差，经过相位调制的第二传输波导上的外注入连续光与第一传输波导上的外注入连续光相遇后干涉相消，实现外注入连续光的强度衰减。

在本实施例下，信号的具体传输过程为：

第一半导体激光器输出的外注入连续光传输至波导滤波器，经过滤波处理后输出特定频率的外注入连续光，特定频率的外注入连续光输入至波导衰减器的第四波导分束器分束，形成两组特定频率的外注入连续光，一组特定频率的外注入连续光通过第三上端口输入至第一传输波导，另一组特定频率的外注入连续光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特定频率的外注入连续光相位调制，经过第一传输波导传输的特定频率的外注入连续光和经过相位调制的第二传输波导上的特定频率的外注入连续光在第五波导分束器相遇并发生干涉相消，实现对特定频率的外注入连续光的光强衰减，经过衰减的特定频率的外注入连续光通过第一波导分束器分束，分别输入至第二波导分束器和第三波导分束器，然后通过第二波导分束器反馈注入至第二半导体激光器，相应地通过第三波导分束器反馈注入至第三半导体激光器，实现第二半导体激光器和第三半导体激光器的外注入锁定。

基于图3，在本实用新型的另一个实施例中，光频梳源还包括集成在光芯片上的可调光延时芯片，可调光延时芯片设置在第二波导分束器与波导合束器的连接路径上或设置在第三波导分束器与波导合束器的连接路径上，用于对从第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲或从第三波导分束器的第二下端口输出的光频梳脉冲延时处理，使从第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲和从第三波导分束器的第二下端口输出的光频梳脉冲同时到达波导合束器。

具体地，在一个实施例中如图5所示，将可调光延时芯片设置在第二波导分束器与波导合束器的连接路径上，可调光延时芯片对从第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲延时处理，使第二半导体激光器输出的光频梳脉冲和第三半导体激光器输出的光频梳脉冲同时到达波导合束器，保证第二半导体激光器输出的光频梳脉冲与第三半导体激光器输出的光频梳脉冲具有高脉冲重叠率，形成完整的双光频梳。

在本申请中，优选第一半导体激光器为分布式反馈激光器，第二半导体激光器和第三半导体激光器均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。

第一半导体激光器工作于连续波模式，优选采用分布式反馈激光器，分布式反馈激光器工作在连续发光模式下，可通过调节工作温度和驱动电流实现输出连续光功率和输出连续光波长的精密调节，具有优异的波长稳定性与功率稳定性。第二半导体激光器和第三半导体激光器工作于增益开关模式下，可以采用分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器。分布式反馈激光器和分布式布拉格反射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，当外注入连续光通过传输注入至谐振腔，引起腔内载流子以及腔内介质折射率发生改变，腔内自由运转时的振荡模式就会被抑制，振荡频率会发生改变，谐振腔内与外注入连续光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光脉冲，达到外注入锁定的目的。

假设第一半导体激光器输出的外注入连续光通过波导滤波器滤波处理后的频率为f₁，也即是波导滤波器的频率为f₁，第二半导体激光器的工作频率为f₂，第三半导体激光器的工作频率为f₃，f₂和f₃不相等，具有微小的频率差且f₂和f₃均大于10GHz，经过滤波处理的外注入连续光输入至第二半导体激光器和第三半导体激光器后，基于外注入连续光的输入，工作于增益开关状态下的第二半导体激光器和第三半导体激光器达到注入锁定的状态，分别输出光频梳脉冲，两个光频梳脉冲在波导合束器合束形成双光频梳，频谱如图6所示，其中实线表示第二半导体激光器输出的光频梳脉冲，虚线表示第三半导体激光器输出的光频梳脉冲，两个光频梳脉冲的中心频率由波导滤波器的频率决定均为f₁，第二半导体激光器输出的光频梳脉冲的梳齿宽度由第二半导体激光器的工作频率f₂决定，第三半导体激光器输出的光频梳脉冲的梳齿宽度由第三半导体激光器的工作频率f₃决定。参考图6，为了便于理解，将中心频率记为梳齿对0(两个梳齿重叠)，向右依次记为梳齿对1、梳齿对2、梳齿对3……，则梳齿对1的频率差为(f₂-f₃)，梳齿对2的频率差为2(f₂-f₃)，梳齿对3的频率差为3(f₂-f₃)……，由于第二半导体激光器和第三半导体激光器均采用第一半导体激光器输出的外注入连续光注入锁定，所以在每个脉冲周期内，相邻的第二半导体激光器输出的光频梳和第三半导体激光器输出的光频梳的梳齿之间具有稳定的频率差。此外，第二半导体激光器和第三半导体激光器工作在注入锁定模式下，它们产生的脉冲均基于外注入连续光受激辐射产生，所以第二半导体激光器和第三半导体激光器输出的光频梳脉冲的相位差稳定，因此基于这两个光频梳脉冲形成的双光频梳相位稳定。

在本申请中，激光驱动器包括微控制器、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块和第三驱动电路模块，如图7所示，微控制器分别与第一驱动电路模块、第二驱动电路模块和第三驱动电路模块连接，用于控制第一驱动电路模块、第二驱动电路模块和第三驱动电路模块，第一驱动电路模块用于驱动第一半导体激光器，第二驱动电路模块用于驱动第二半导体激光器，第三驱动电路模块用于驱动第三半导体激光器。

在本申请中第一半导体激光器工作于连续波模式下，因此驱动第一半导体激光器的第一驱动电路模块为常规驱动模块，这里不再详述。第二半导体激光器和第三半导体激光器均工作于增益开关模式下，第二驱动电路模块和第三驱动电路模块相同，均包括直流源、RF射频信号源和偏置器，结构如图8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第二半导体激光器或第三半导体激光器。

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第二半导体激光器或第三半导体激光器，驱动产生周期性光脉冲。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9所示。当外注入连续光从端口1输入后，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10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，耦合直波导接收外注入连续光并将外注入连续光耦合至环形波导，结构如图11所示。外注入连续光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，实现对外注入连续光的频谱调制。

基于上述对本申请的解释和阐述可知，第一半导体激光器工作于连续波模式下，在第一驱动电路模块的驱动下连续输出外注入连续光，第二半导体激光器、第三半导体激光器相应的分别在第二驱动电路模块和第三驱动电路模块的驱动下工作于增益开关模式下，外注入连续光经过滤波、衰减后通过第一波导分束器分束后分为两组外注入连续光，一组经过第二波导分束器注入到第二半导体激光器，另一组经过第三波导分束器注入到第三半导体激光器，第二半导体激光器和第三半导体激光器基于经过滤波和衰减后的外注入连续光，实现外注入锁定以及产生有效光频梳脉冲。经过波导滤波器后的外注入连续光的频率与第二半导体激光器和第三半导体激光器自发辐射输出的光脉冲的某一频率一致，基于外注入连续光，第二半导体激光器和第三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。由于第二半导体激光器和第三半导体激光器输出的每个脉冲都是基于外注入锁定作用，而不是随机的自发发射，因此输出的光脉冲具有更清晰的梳状线和可区分的梳状线间隔且具有更高的梳齿平坦度和相干性。

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)

1.一种基于注入锁定的双光频梳源，其特征在于，包括激光驱动器、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第一波导分束器、第二波导分束器、第三波导分束器、波导滤波器和波导合束器，所述第一波导分束器、所述第二波导分束器、所述第三波导分束器、所述波导滤波器和所述波导合束器集成在一个光芯片上；

所述激光驱动器分别与所述第一半导体激光器、所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器连接，用于驱动所述第一半导体激光器、所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器；所述第一半导体激光器工作于连续波模式，用于连续输出外注入连续光；所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器均工作于增益开关模式，基于外注入连续光输出光频梳脉冲，所述第二半导体激光器的工作频率与所述第三半导体激光器的工作频率不同；所述第一波导分束器、所述第二波导分束器和所述第三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，所述波导滤波器的一端连接所述第一半导体激光器，另一端连接所述第一波导分束器的第一上端口或第一下端口，所述第一波导分束器的第二上端口连接所述第二波导分束器的第二下端口，所述第一波导分束器的第二下端口连接所述第三波导分束器的第二上端口，所述第二波导分束器的第一上端口或第一下端口与所述第二半导体激光器连接，所述第二波导分束器的第二上端口与所述波导合束器的一个输入端口连接，所述第三波导分束器的第一上端口或第一下端口与所述第三半导体激光器连接，所述第三波导分束器的第二下端口与所述波导合束器的另一个输入端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，其特征在于，所述第一波导分束器的分束比为50:50，所述第二波导分束器的分束比和所述第三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所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，其特征在于，所述双光频梳源还包括集成在所述光芯片上的波导衰减器，用于对接收的外注入连续光的强度衰减，所述波导衰减器的一端连接所述波导滤波器，另一端连接所述第一波导分束器的第一上端口或第一下端口。

4.根据权利要求1所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，其特征在于，所述双光频梳源还包括集成在所述光芯片上的可调光延时芯片，所述可调光延时芯片设置在所述第二波导分束器或所述第三波导分束器与所述波导合束器的连接路径上，用于对从所述第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲或从所述第三波导分束器的第二下端口输出的光频梳脉冲延时处理，使从所述第二波导分束器的第二上端口输出的光频梳脉冲和从所述第三波导分束器的第二下端口输出的光频梳脉冲同时到达所述波导合束器。

5.根据权利要求3所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，其特征在于，所述波导衰减器由第四波导分束器、第一传输波导、第二传输波导、第五波导分束器和相位调制器组成，所述第四波导分束器和所述第五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四波导分束器的第三上端口和所述第五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四波导分束器的第三下端口和所述第五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注入锁定的双光频梳源，其特征在于，所述第一半导体激光器为分布式反馈激光器，所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器均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注入锁定的双光频梳源，其特征在于，所述激光驱动器包括微控制器、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块和第三驱动电路模块，所述微控制器分别与所述第一驱动电路模块、所述第二驱动电路模块和所述第三驱动电路模块连接，用于控制所述第一驱动电路模块、所述第二驱动电路模块和所述第三驱动电路模块，所述第一驱动电路模块用于驱动所述第一半导体激光器，所述第二驱动电路模块用于驱动所述第二半导体激光器，所述第三驱动电路模块用于驱动所述第三半导体激光器。

8.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，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所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，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所述的一种基于注入锁定的双光频梳源，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外注入连续光并将外注入连续光耦合至所述环形波导。