基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统及调节方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统及调节方法，所述方法分三步进行调节：首先采用单光源放大滤波后泵浦微纳谐振腔，找到泵浦光能够耦合进入微纳谐振腔的波长范围，并确定孤子产生对应的双稳态区域的波长范围；然后用波长为第一步测量记录下的腔内功率开始增大时对应值的单光源泵浦谐振腔从而产生光学频率梳；最后将第二步单光源的波长调为双稳态区域对应波长，同时加入波长低于该光源N倍FSR处的另一光源，二者共同耦合到谐振腔内，逐步演化出孤子光频梳；当泵浦光源频率间隔为N倍FSR时，孤子光频梳的谱线间隔相应也为N倍FSR。本发明专利技术能产生谱线间距可调孤子光频梳，无需考虑泵浦光波长调节速率的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学频率梳
，具体地，涉及一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统及调节方法。
技术介绍
光学频率梳是指在频率域上一系列精确等间隔且线宽极窄的分立光谱，时域上则是一系列等间隔的超短光脉冲序列，主要应用于毫米波/太赫兹通信、精密光学频率测量、光谱定标、绝对距离测量、射频光子学等领域，是高频低相噪信号源产生、高速光通信光源产生、光学任意波形发生器、基本物理常数测量、类地行星探测、暗物质暗能量研究、光频原子钟等必不可少的工具。2005年美国国家标准技术研究院的霍尔教授(J.L.Hall)和德国马普量子光学所的亨施教授(T.W.Hansch)因对光学频率梳的杰出贡献共同获得2005年度诺贝尔物理学奖。目前光学频率梳的产生方式主要有两种：基于锁模激光器的光学频率梳与基于参量过程的微纳克尔光频梳。前者产品体积庞大、系统复杂，且重复频率低，仅达兆赫兹。后者采用连续可调谐激光器泵浦填充三阶非线性介质的光学微纳谐振腔，通过级联的四波混频效应最终形成光学频率频梳。与基于锁模激光器的光频梳相比，基于参量过程的微纳克尔光频梳具有体积小、与CMOS工艺兼容、低能耗等优点。克尔微腔内有非常复杂的非线性现象，如孤子态、双稳态、图灵态、混沌态等。而处于孤子态的光频梳以其良好的特性受到人们的青睐。时域上看，可经长距离传输而保持脉冲形状不变从而可应用于长距离相干光通信系统中，频域上则表现为宽谱、低相噪，频谱光滑且谱线间具有良好的相干特性。2010年，Leo等人首次在光纤腔中观测到了光孤子。接下来几年里，陆续又有小组通过可调谐激光器扫频来泵浦微纳谐振腔从而得到了光孤子，并就高阶色散、拉曼效应等对光频梳性能的影响进行了实验研究。期间关于孤子光频梳的产生及演化也有大量的理论研究，用于描述微纳谐振腔中光频梳演化过程的主要有非线性耦合模及非线性Lugiato-Lefever两种理论模型。非线性耦合模模型中每个模式各对应一个描述其演化的方程，而各方程又通过描述四波混频效应的项耦合到一起。四波混频耦合项的存在使得数值计算该方程的时间与微腔模式数的三次方成正比，因此仿真成百上千个模式的演化时，非线性耦合模模型这种描述方式就显得极其低效了。与非线性耦合模方程相比，数值计算联立非线性薛定谔方程及谐振腔耦合处边界条件推导出的非线性Lugiato-Lefever模型则会高效很多，因此非线性Lugiato-Lefever模型广泛用于光频梳各种性质的理论分析中。一旦微纳谐振腔的尺寸确定，其自由谱宽freespectralrange(FSR)就确定了，且光频梳的谱线间隔为FSR的整数倍。目前已经有了孤子光频梳产生与演化的理论分析及实验结果，产生的孤子光频梳谱线间距均为FSR。但实际应用中通常需要得到谱线间隔可调的孤子光频梳，此时传统的可调谐激光器泵浦微纳谐振腔方案无法满足需求。而采用双连续光泵浦谐振腔使产生谱线间隔可调的孤子光频梳成为可能。目前主要采用可调谐激光器泵浦谐振腔，同时将可调谐激光器在谐振腔谐振波长附近连续扫频来产生孤子光频梳。然而采用这种方法时扫频速率至关重要，过快或者过慢都会导致光频梳错过孤子区域。同时即使产生了孤子光频梳，孤子的个数与位置也无法通过此调节方式控制。国内外的多次试验证明通过调节双泵浦光波长间距的方式从而实现对光频梳谱线间距的调节是切实可行的，然而目前已有的双泵浦光源方案仅产生了间距可调的光频梳，并没有得到性能更好的孤子光频梳。目前普遍的孤子光频梳产生系统均采用单一可调谐光源，通过在谐振腔谐振波长附近连续扫频得到，这种方案对扫频速率要求极高，扫频过快或者过慢都无法形成孤子光频梳。经检索，公开号为CN105680301A、CN申请号为201610144450.7的中国专利技术申请，该专利技术公开一种基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统和方法，旨在解决现有光频梳产生系统稳定性差，且光频梳的频率间隔固定或者仅在几个自由光谱范围内可调的弊端。该系统由光学放大器、光隔离器、偏振控制器、上传/下载型微环谐振腔、光分束器以及可调双波长滤波器通过单模光纤串联形成的闭合的光纤环形腔；其中，沿光纤环形腔内激光信号的传播路径，光分束器位于上传/下载型微环谐振腔之后。但是：上述专利仅提出了间距可调光频梳的产生方案，无法应用于对光频梳稳定性要求更高的领域。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统及调节方法，同时改进现有的调节方案，将连续扫频步骤改为两次调节，从而简化孤子光频梳的产生方式。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统，所述系统包括：第一连续可调谐激光器，第二连续可调谐激光器，第一掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器，用于滤除泵浦光边带杂散信号的第一带通滤波器、第二带通滤波器，第一耦合器，第二耦合器，一个微纳谐振腔，一个滤除泵浦光信号的布拉格光纤光栅，光电探测器，用于分析光谱特性的光谱分析仪，以及用于分析拍频后电信号的电谱分析仪；其中：第一连续可调谐激光器发出泵浦光源，泵浦光源经第一掺铒光纤放大器、第一带通滤波器放大滤波后，经第一耦合器的第一输入口耦合到微纳谐振腔；第二连续可调谐激光器发出泵浦光源，泵浦光源经第二掺铒光纤放大器、第二带通滤波器放大滤波后，经第一耦合器的第二输入口耦合到微纳谐振腔；微纳谐振腔的输出端连接布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅输出端连接第二耦合器的输入口，第二耦合器有两个输出口，其中一个输出口连接光谱分析仪、另外一个通过光电探测器连接电谱分析仪。所述微纳谐振腔，用于生成微纳克尔光学频率梳。所述布拉格光栅用以滤除强烈的泵浦光，防止泵浦光干扰观测结果。优选地，所述微纳谐振腔为CMOS工艺制备的Si3N4光学微腔，有利于可调谐光源的片上集成。优选地，所述光电探测器由光电二极管组成。根据本专利技术的另一个方面，提供一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统的调节方法，所述方法采用两个连续可调谐激光器作为泵浦光源，泵浦光源经放大滤波后耦合到微纳谐振腔，分三个步骤调节泵浦光源，通过控制两泵浦光源频率间距从而实现对孤子光频梳谱线间距的控制；第一步，确定谐振腔谐振波长范围：采用单光源放大滤波后泵浦微纳谐振腔，找到泵浦光能够耦合进入微纳谐振腔的波长范围，并确定孤子产生对应的双稳态区域的波长范围；第二步，单光源泵浦谐振腔产生频率梳：用波长为第一步测量记录下的微纳谐振腔内功率开始增大时对应值的单光源泵浦谐振腔，从而产生光学频率梳；第三步，间距可调谐孤子光频梳的产生：将第二步单光源的波长调为双稳态区域对应波长，同时加入波长低于该光源N倍自由谱宽处的另一光源，二者共同耦合到谐振腔内，逐步演化出孤子光频梳；当泵浦光源频率间隔为N倍自由谱宽时，孤子光频梳的谱线间隔相应也为N倍自由谱宽。进一步的，所述第一步，确定谐振腔谐振波长范围：选用第一连续可调谐激光器经第一掺铒光纤放大器放大并通过第一带通滤波器滤除边带杂散信号后进入第一耦合器的第一输入口，第二连续可调谐激光器无信号输入第一耦合器，再将第一耦合器输出口的连续光耦合到微纳谐振腔，微纳谐振腔内一部分光信号通过耦合口输出，经布拉格光纤光栅滤除夹杂的强烈泵浦光信号后进入光谱分析仪以分析光频梳的产生情况，将第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统、其特征在于，所述系统包括：第一连续可调谐激光器、第二连续可调谐激光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、用于滤除泵浦光边带杂散信号的第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一耦合器、第二耦合器、一个微纳谐振腔、一个滤除泵浦光信号的布拉格光纤光栅、光电探测器、用于分析光谱特性的光谱分析仪以及用于分析拍频后电信号的电谱分析仪；其中：第一连续可调谐激光器发出泵浦光源，泵浦光源经第一掺铒光纤放大器、第一带通滤波器放大滤波后，经第一耦合器的第一输入口耦合到微纳谐振腔；第二连续可调谐激光器发出泵浦光源，泵浦光源经第二掺铒光纤放大器、第二带通滤波器放大滤波后，经第一耦合器的第二输入口耦合到微纳谐振腔；微纳谐振腔的输出端连接布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅输出端连接第二耦合器的输入口，第二耦合器有两个输出口，其中一个输出口连接光谱分析仪、另外一个通过光电探测器连接电谱分析仪。

【技术特征摘要】
1.一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统、其特征在于，所述系统包括：第一连续可调谐激光器、第二连续可调谐激光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、用于滤除泵浦光边带杂散信号的第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一耦合器、第二耦合器、一个微纳谐振腔、一个滤除泵浦光信号的布拉格光纤光栅、光电探测器、用于分析光谱特性的光谱分析仪以及用于分析拍频后电信号的电谱分析仪；其中：第一连续可调谐激光器发出泵浦光源，泵浦光源经第一掺铒光纤放大器、第一带通滤波器放大滤波后，经第一耦合器的第一输入口耦合到微纳谐振腔；第二连续可调谐激光器发出泵浦光源，泵浦光源经第二掺铒光纤放大器、第二带通滤波器放大滤波后，经第一耦合器的第二输入口耦合到微纳谐振腔；微纳谐振腔的输出端连接布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅输出端连接第二耦合器的输入口，第二耦合器有两个输出口，其中一个输出口连接光谱分析仪、另外一个通过光电探测器连接电谱分析仪。2.根据权利要求1所述的一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统的调节方法，其特征在于，所述微纳谐振腔采用三阶非线性介质制备，通过非线性微腔参量过程，首先激发简并四波混频效应，两个泵浦光子产生一个闲置光和一个信号光，生成的闲置光和信号光再次进行简并四波混频和非简并四波混频效应，以此类推，级联四波混频效应最终生成微纳克尔光学频率梳。3.根据权利要求2所述的一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统的调节方法，其特征在于，所述微纳谐振腔为CMOS工艺制备的Si3N4光学微腔。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳系统，其特征在于，所述光电探测器由光电二极管组成。5.一种基于微纳谐振腔的间距可调孤子光频梳的调节方法，其特征在于，所述方法采用两个连续可调谐激光器作为泵浦光源，泵浦光源经放大滤波后耦合到微纳谐振腔，分三个步骤调节泵浦光源，通过控制两泵浦光源频率间距从而实现对孤子光频梳谱线间距的控制；第一步，确定谐振腔谐振波长范围：采用单光源放大滤波后泵浦微纳谐振腔，找到泵浦光能够耦合进入微纳谐振腔的波长范围，并确定孤子产生对应的双稳态区域的波长范围；第二步，单光源泵浦谐振腔产生频率梳：用波长为第一步测量记录下的微纳谐振腔内功率开始增大时对应值的单光源泵浦谐振腔，从而产生光学频率梳；第三步，间距可调谐孤子光频梳的产生：将第二步单光源的波长调为双稳态区域对应波长，同时加入波长低于该光源N倍自由谱宽处的另一光源，二者共同耦合到谐振腔内，逐步演化出孤子光频梳；当泵浦光源频率间隔为N...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊梓桐，何广强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31