一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通信、微波光子学、半导体光电子学和非线性光学技术领域，更具体地，涉及一种基于单片集成微腔激光器而搭建的可调谐光频梳产生系统。
【背景技术】
[0002]光频梳(OFCs)，又称光学频率梳，是具有确定梳齿间隔的光频标尺，可以在红外、可见光、紫外波段产生。光频梳可将一个未知的光频与射频或微波频率标准连接，提高光频测量的精度，在精确光谱测量、任意波形发生器、低噪声的微波信号源等方面有着广泛的应用，还在光通信、分子识别、航天摄谱仪校准以及光学原子钟等技术上有着极大的应用价值和发展前景。
[0003]早期的光频梳技术依赖于锁模激光器，但激光器的腔长通常较长，也就意味着生成的梳齿之间的间隔非常窄，通常小于10GHz。近些年，人们发现通过在非线性光学微腔和高非线性光纤内发生级联的四波混频效应也可以产生光频梳，常用的非线性光学谐振腔材料有S1、Si02、Si3N4、CaF2及熔融石英硅，利用其Q值高、体积小的特点制作的无源谐振腔能够降低非线性阈值从而提高四波混频效率，产生克尔微腔光频梳。
[0004]本发明提供的基于InP、GaAs或其三元或四元化合物材料InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs的半导体微腔激光器是利用侧壁的全反射实现对光场的强限制，具有很小的模式体积和高的Q值。半导体微腔激光器能够集光源的产生和四波混频的发生于一体，直接产生可以作为产生频梳的种子源的输出光，并通过高非线性光纤展宽，得到稳定光频梳。该频梳产生系统可以通过集成的方法实现，相对于锁模激光器不仅体积小、复杂度低、功耗小，最重要的是可以通过改变主激光器注入电流的大小即可实现频梳的频率间隔从几GHz到几百GHz大范围的可调谐。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，以产生频率间隔较大且能灵活调节的光频梳。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为达到上述目的，本发明提供了一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，包括主激光器1、从激光器2、可调谐滤波器3、光纤放大器4、光隔离器5和高非线性光纤6，其中:
[0009]主激光器I与从激光器2集成于同一个功能模块上，主激光器I用于为从激光器2提供可调谐的注入光信号；
[0010]可调谐滤波器3，用于对自主激光器I及从激光器2输入的光信号进行可调谐过滤，并输出至光纤放大器4 ；
[0011]光纤放大器4，用于放大光信号，达到高非线性光纤6工作需要的功率，并输出至光隔离器5;
[0012]光隔离器5，用于保证光纤放大器4输出的光的单向输出至高非线性光纤6 ;
[0013]高非线性光纤6，用于提供非线性介质，扩展级联四波混频，获得等频率间隔的，功率均匀分布的光频梳。
[0014]上述方案中，所述主激光器I和所述从激光器2构成集成微腔激光器，所述主激光器I和所述从激光器2均为电注入回音壁模式的半导体微腔激光器。
[0015]上述方案中，在所述集成微腔激光器中，固定从激光器2电流大小，调节主激光器I电流的大小，使主激光器I的谐振波长靠近从激光器2的谐振波长，当二者波长差很小时，在集成微腔激光器的腔内发生四波混频效应，从激光器2输出的模式作为频梳产生的种子源。
[0016]上述方案中，所述集成微腔激光器的输出经过可调谐滤波器3滤掉不需要的模式，然后经过高功率的光纤放大器4放大到足够的功率再经过光隔离器5和高非线性光纤6产生频梳，其中高非线性光纤6具有较高的非线性系数和很小的群速度色散，注入功率足够大时，光纤内导光介质的材料折射率随光功率变化，从而在光纤内部发生包括四波混频在内的次级效应。
[0017]上述方案中，所述集成微腔激光器的腔体形状包括圆盘、圆环、三角形、正方形或多边形；该集成微腔激光器的尺寸在I到50微米之间；该集成微腔激光器的激射模式是单模、双模或多模；主激光器和从激光器的激射波长均能够通过其注入电流的大小而调节，主激光器为从激光器提高可调谐的注入信号；主激光器和从激光器的集成方法采用同种材料的波导直接耦合或侧向耦合。
[0018]上述方案中，所述集成微腔激光器中主激光器I和从激光器2分别是一个圆盘微腔激光器，这两个圆盘微腔激光器通过波导直接耦合，这两个圆盘微腔激光器和波导均包含上限制层201、有源层202和下限制层203，每个圆盘微腔激光器的下限制层均形成在衬底上，其中:作为主激光器I和从激光器2的这两个圆盘微腔激光器的有源区是量子阱、量子线、量子点或量子级联结构；主激光器I和从激光器2的尺寸为激射波长的几倍到上千倍，其材料是各种IV族半导体材料和其化合物，以及ιπ-ν、I1-VI, IV-V族化合物材料，或者是有机半导体材料。
[0019]上述方案中，所述主激光器通过波导向从激光器实现光注入，从激光器的输出光通过单模光纤的耦合输出。
[0020]上述方案中，在所述可调谐滤波器3之前还设置一个光放大器，该光放大器对从激光器2输出光的功率进行预放，再经过光纤耦合进可调谐滤波器3和光纤放大器4，然后经过非线性光纤展宽获得频梳。所述光放大器单独设置，或者与主激光器I及从激光器2集成于同一个功能模块上。
[0021]上述方案中，所述光纤放大器4对可调谐滤波器3滤波后的光信号进行功率放大，得到宽谱的光频梳。
[0022]上述方案中，所述高非线性光纤6具备高的非线性系数和低的群速度色散，主从激光器输出的光信号能在光纤中发生级联的四波混频效应，从而产生低噪声的超连续谱。该可调谐光频梳产生系统还在高非线性光纤6后再设置多个光放大器和高非线性光纤，以实现多次非线性放大展宽。
[0023]上述方案中，该可调谐光频梳产生系统还包括监测设备来接收和监测产生频梳的特性，该监测设备包括光分束器7、光谱仪8、光电探测器9和频谱仪10，其中:所述高非线性光纤6输出的光被光分束器7分成两路，其中一路光信号被输出至光谱仪8以供用户观测，另外一路光信号被光电探测器9收集到频谱仪10来观测微波谱，进而确定频率的间隔及其稳定度。
[0024]上述方案中，该可调谐光频梳产生系统的具体工作过程及测量过程如下:
[0025]步骤一、由主激光器1、从激光器2产生单模或双模输出；
[0026]步骤二、从激光器为双模微腔激光器时，固定从激光器2的注入电流大小，改变主激光器I的注入电流大小使注入光波长靠近从激光器的激射波长，不断调节主激光器的电流使注入光与从激光器一个模式的频率间隔能够被从激光器的模式间隔整数可约；
[0027]步骤三、微腔激光器的输出作为产生频梳的种子源，经过可调谐滤波器3滤掉步骤二中不满足条件的波长，再经过光纤放大器4放大到足够的功率再经过光隔离器5和高非线性光纤6产生频梳；
[0028]步骤四、高非线性光纤6输出的光经过分束器7把光信号分成两路，其中一路用于光信号的输出，到光谱仪8观测，另一路用于光电探测器收集9到频谱仪10观测微波谱，确定频率间隔及其稳定度。