CN103838055A - 一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统，属于光学领域。本系统包括泵浦激光、光学微腔、反馈调控回路等。通过反馈调控回路对光学微腔中产生的光频梳信号中的部分梳齿进行滤波、放大或再生后，与泵浦激光共同激励光学微腔，构成的反馈调控回路，以实现光学微腔光频梳的高性能产生。与现有单一泵浦激光产生光频梳的系统相比，该系统能降低光频梳产生的阈值、提高相干性、实现可控的梳齿间隔，并改善对泵浦条件的容忍度。本发明结构简单、可重复性强，系统性能改善的效果显著。

Description

一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统

技术领域

本发明涉及集成光子学及非线性光学领域。特别涉及一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统。

背景技术

光频梳是由一系列等频率间隔的、窄线宽的相干光波组成的一种新型光源。它在频谱上看起来就像是整齐排列的梳齿，故此得名。广泛应用于精密光谱、时间和频率的计量、时钟的同步和校准、长距离相干、高性能卫星导航、光通讯及网络同步、高精度跟踪与测距等。

传统的光频梳技术需要体积较大的锁模激光，不仅成本昂贵，对应用环境的要求也比较高。而结构紧凑、易于集成的基于光学非线性效应的光学微腔光频梳技术得到了越来越多的重视，正在迅猛发展。泵浦光进入光学微腔后，由于光学微腔的场强增强效应，与外部泵浦光强相比，光学微腔内的光强度可以增大很多倍。这样强的光强可以激发克尔效应，并通过四波混频等非线性效应产生新的频率分量。频率分量之间的频率差，即光频梳的梳齿间隔，正好等于光学微腔的自由频谱范围（FreeSpectralRange,FSR），所以新的频率正好也与光学微腔共振。这一共振使得新频率也得到增强，并与原有频率通过四波混频产生更新的共振频率。如此反复，可以产生很多的等频率间距的频率分量从而形成光频梳。

光学微腔光频梳的产生有两种不同的路径。其中一种称为I类的光频梳生成时从泵浦光开始，以一倍FSR向两边扩展生成光频梳。另一种称为II类的光频梳生成时从泵浦光开始，首先以多倍FSR向两边扩展，随着泵浦光功率的增加，一倍FSR的梳齿逐渐被填充，成为具有一倍FSR的光频梳。研究表明I类光频梳具有较好的相干性，能够通过脉冲整形得到近乎理论极限的飞秒脉冲；II类光频梳仅具有部分相干性，虽然通过脉冲整形能够压缩时域信号，但无法得到近乎理论极限的飞秒脉冲，应用将严重受限。

目前光学微腔光频梳的产生系统，是单一泵浦激光直接进入到光学微腔中。系统组成较为简单，但光频梳的产生阈值几乎完全依赖于光学微腔的性能，通常对泵浦激光功率提出很高的要求，不利于系统的小型化和成本的降低。而且缺乏主动的优化机制，不能实现相干性和梳齿间隔可控，阻碍了光学微腔光频梳的普及和应用。

本领域亟需一种高性能易实现的光学微腔光频梳产生系统，降低光频梳产生的阈值、提高相干性、实现可控的梳齿间隔，并改善对泵浦条件的容忍度。

发明内容

本发明提供了一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统。

本发明所述系统有泵浦激光、合束器1、光学微腔、合束器2、滤波器、放大/再生器组成，其中泵浦激光的输出经过合束器1进入光学微腔，光学微腔的输出经过合束器2后，一部分成为系统的输出，一部分成为反馈调控信号，反馈调控信号经过滤波器、放大/再生器构成的反馈调控回路回到合束器1，与泵浦激光一起注入到光学微腔之中。

泵浦激光包括是半导体光源、染料光源、固体光源、气体光源和上述光源与光纤放大器、固体光放大器、半导体光放大器的组合。泵浦激光通常是单一频率的高相干光，为光学微腔内的非线性过程提供光源。

光学微腔包括具有光学非线性增益的微环、微盘、微球。光学微腔将光束缚在微小的区域内，极大地增强了光与物质的相互作用。

合束器1和合束器2包括光纤耦合器、集成波导耦合器、光学分光片、波分复用器、带通滤波器和光上下路复用器。

滤波器与合束器2共同作用的效果是允许除泵浦激光所在波长以外的一个或多个梳齿波长能够透过，并可改变能够透过的一个或多个梳齿的幅度、相位、延迟，而不允许泵浦激光所在波长透射。

滤波器包括光学滤光片、光纤滤波器、光栅滤波器、集成波导滤波器、饱和吸收材料构成的可变自跟踪滤波器及它们的组合。

放大/再生器的效果是生成与滤波器与合束器2共同作用后能够透过的一个或多个梳齿相关的信号，即生成滤波器与合束器2共同作用后能够透过的一个或多个梳齿的放大、线宽压缩或频率移动后信号；放大/再生器包括光纤放大器、固体光放大器、半导体光放大器、被反馈调控信号注入锁定的激光器和它们的组合。

与单一泵浦激光产生光频梳相比,本发明增加了一路反馈调控信号，能够对光频梳产生的动力学过程进行干预，从而影响光频出的产生效果。

选择泵浦光之外的一个或多个梳齿作为反馈调控信号，并对其进行放大，与泵浦光一起注入到光学微腔，实现光频梳低阈值产生。基于梳齿反馈的光频梳产生系统中，反馈调控回路与泵浦光功率之和，将远小于单一泵浦条件下所需的泵浦功率。

提高光频梳相干性，即抑制II类光频梳的出现，诱导I类光频梳的产生。选择由泵浦光产生的距离泵浦光1×FSR的梳齿作为反馈调控信号，并阻止其他梳齿产生的四波混频成分进入到反馈调控回路，诱导光频梳向I类演化，从而降低光频梳的RF噪声，即提高光频梳的相干性。

选择距泵浦光n×FSR（n=1,2,3…）的梳齿进行反馈调控，实现梳齿间隔为n×FSR的光频梳输出。

与现有单一泵浦激光产生光频梳的系统相比，该系统能降低光频梳产生的阈值、提高相干性、实现可控的梳齿间隔，并改善对泵浦条件的容忍度。本发明结构简单、可重复性强，系统性能改善的效果显著。

下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面，仅仅是可使用本发明原理中各方式中的一些方式；本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

图1是一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统示意图。

图2是本发明的第一个实施例，其中有：可调谐单频激光器201、高功率光放大器202、合束器203、光学微腔204、合束器205、滤波器206、放大器207、输出端208。

图3是本发明的第二个实施例，其中有：可调谐单频激光器301、高功率光放大器302、合束器303、光学微腔304、合束器305、滤波器306、放大器307、输出端308。

图4是本发明的第三个实施例，其中有：可调谐单频激光器401、高功率光放大器402、合束器403、光学微腔404、合束器405、滤波器406、放大器407、输出端408、环路器410、3dB合束器411、饱和吸收体412、偏振控制器413，且410、411、412、413组成了可变自跟踪滤波器409。

图5是本发明的第四个实施例，其中有：可调谐单频激光器501、高功率光放大器502、合束器503、光学微腔504、合束器505、滤波器506、输出端508、再生器514。

图6是本发明的第四个实施例中再生器的一种结构，其中有：合束器601、环路器603、3dB合束器604、饱和吸收体605、偏振控制器606、放大器607、滤波器608、合束器609，且603、604、605、606组成了可变自跟踪滤波器602。

图7是图2中实施例的光谱，分别是反馈梳齿位于泵浦光附近1×FSR、2×FSR、3×FSR和单一泵浦时的光频梳谱线，对应图（a）、（b）、（c）、（d）。

图8是图2中实施例的泵浦条件关系，包含反馈梳齿位于泵浦光附近1×FSR、2×FSR、3×FSR和单一泵浦时，光频梳产生对泵浦波长和泵浦强度的要求；

图9是图4中实施例的光谱，分别是单一泵浦和有反馈调控回路的光频梳谱线，对应图（a）、（b）。

图10是图4中实施例的RF频谱，图中有单一泵浦和有反馈调控回路的RF频谱。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

（1）第一个实施例：

图2所示，201提供的单频激光，202放大光功率，为系统提供泵浦激光。泵浦激光经过203进入204，204的输出经过205，一部分成为系统的输出接入208，一部分成为反馈调控信号。反馈调控信号经过206选出一个梳齿，再由207将其放大后回到203，与泵浦激光一起注入到204中。208接入光谱仪，测量不同条件下的光频梳谱线。

206的中心波长先后置于泵浦波长附近1×FSR、2×FSR、3×FSR位置，实现梳齿间隔为1×FSR、2×FSR、3×FSR的光频梳产生，如图7(a)、(b)、(c)。可见，利用本发明所述系统，实现了光频梳的梳齿间隔可控。

202的输出功率为26dBm，207的输出功率为18dBm，203的分光比为2:8，进入到204中泵浦激光功率26dBm×80%=320mW，反馈光功率18dBm×20%=12mW，总功率332mW。关闭207，即单一泵浦，无法产生光频梳。直到202的输出功率升高到30dBm，才实现光频梳的产生，如图7(d)。此时，进入到204的泵浦激光功率30dBm×80%=800mW，远高于基于反馈调控回路的332mW。可见，利用本发明所述系统，实现了光频梳产生阈值的降低。

光频梳产生以后，微调泵浦波长和泵浦功率，测量能够维持光频梳产生的泵浦波长和泵浦功率的临界值范围，即泵浦条件容忍度，如图8。可见，利用本发明所述系统，提高了对泵浦条件的容忍度。

（2）第二个实施例：

图3所示，由图2所示的第一个实施例演变而来，效果的区别在于进入光学微腔的反馈调控信号强度更大。反馈调控信号成为一路与泵浦光具有固定频率差且功率接近的新的泵浦光，能够对光频梳产生过程施加更大的影响。

（3）第三个实施例：

图4所示，由图2所示的第一个实施例的基础上增加了可变自跟踪滤波器409，将408接入光谱仪和RF频谱仪。在单一泵浦时，实现光频梳的产生，光谱如图9(a)，RF频谱如图10。虽然光频梳的梳齿间隔为1×FSR，但其RF噪声在200MHz、400MHz、600MHz较强，仅具有部分相干性，属于II类光频梳。

接入反馈调控回路，406的中心波长位于泵浦激光波长附近1×FSR位置，滤出附近梳齿。409进一步滤波，仅允许泵浦光产生的梳齿通过，并作为反馈调控信号，放大后经403注入404，光频梳的输出光谱改变不大，如图9(b)。RF噪声显著降低，如图10。

在本实施例中，反馈调控之所以能够降低RF噪声，是因为409滤除了在1×FSR附近的由其他梳齿产生的四波混频成分，仅允许泵浦光产生的梳齿通过，诱导了I类光频梳的产生。

（4）第四个实施例：

图5所示，501提供的单频激光，502放大光功率，为系统提供泵浦激光。泵浦激光经过503进入504，504的输出经过505，一部分成为系统的输出接入508，一部分成为反馈调控信号。反馈调控信号经过506选出一个梳齿，再由514将其放大、线宽压窄后回到503，与泵浦激光一起注入到504中。

图6所示是本实施例中，再生器的一种实现方案，其同时具有放大和窄带滤波的作用。

Claims (7)

1.一种基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统，有泵浦激光、合束器1、光学微腔、合束器2、滤波器、放大/再生器组成，其中泵浦激光的输出经过合束器1进入光学微腔，光学微腔的输出经过合束器2后，一部分成为系统的输出，一部分成为反馈调控信号，反馈调控信号经过滤波器、放大/再生器构成的反馈调控回路回到合束器1，与泵浦激光一起注入到光学微腔之中。

2.根据权利要求1所述的光学微腔光频梳产生系统，其特征在于，泵浦激光包括半导体光源、染料光源、固体光源、气体光源和上述光源与光纤放大器、固体光放大器、半导体光放大器的组合。

3.根据权利要求1所述的光学微腔光频梳产生系统，其特征在于，光学微腔包括具有光学非线性增益的微环、微盘、微球。

4.根据权利要求1所述的光学微腔光频梳产生系统，其特征在于，合束器1和合束器2包括光纤耦合器、集成波导耦合器、光学分光片、波分复用器、带通滤波器和光上下路复用器。

5.根据权利要求1所述的光学微腔光频梳产生系统，其特征在于，滤波器与合束器2共同作用的效果是允许除泵浦激光所在波长以外的一个或多个梳齿波长能够透过，并可改变能够透过的一个或多个梳齿的幅度、相位、延迟，而不允许泵浦激光所在波长透射。

6.根据权利要求1所述的光学微腔光频梳产生系统，其特征在于，滤波器包括光学滤光片、光纤滤波器、光栅滤波器、集成波导滤波器、饱和吸收材料构成的可变自跟踪滤波器及它们的组合。

7.根据权利要求1所述的光学微腔光频梳产生系统，其特征在于，放大/再生器的效果是生成滤波器与合束器2共同作用后能够透过的一个或多个梳齿的放大、线宽压缩或频率移动后信号；放大/再生器包括光纤放大器、固体光放大器、半导体光放大器、被反馈调控信号注入锁定的激光器和它们的组合。

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