光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，设及一种光学微腔中克尔光梳的确 定性孤子锁模方法。
【背景技术】
[0002] 光学频率梳，或简称光梳的发明为精密时间/频率测量提供了革命性的工具。光 梳如同一个光学齿轮组，能够把光学频率精确地分频到较低的微波频率，实现光学频率标 准向微波频率的精密传递，从而促进了光钟的发展，极大提高了时间计量的精确度。此外， 光梳还被用于精密光谱学、天文光谱校准、超稳微波振荡器、高速光通信等诸多领域。目前， 绝大多数光梳都是基于锁模飞秒激光器产生的。运类设备结构复杂，体积庞大，价格昂贵。 例如，德国MenloSystems公司提供的飞秒激光光梳频率合成系统，仅光学部分的尺寸就达 至IJ706X716X139mm，重量达到80公斤，售价很高。因此，飞秒激光光梳的应用受到限制，目 前通常仅限于在实验室内使用，无法广泛推广。
[0003] 针对上述问题，近几年来出现了一种崭新的光梳产生技术方案。该方案基于超 高品质因数（Q-factor，后简称Q值）光学微腔中的克尔参量四波混频（FWM= ^ur-Wave mixing)效应来产生高稳定性的等间隔光频率分量，简称为克尔光梳。与飞秒激光器相比， 克尔光梳采用的高Q值光学微腔直径通常在IcmW内，从而可W极大地缩小光梳设备的尺 寸，使之成为实用化的器件。因此，克尔光梳在未来极有可能取代目前的飞秒激光器光梳， 成为下一代光梳设备的主要技术方案，在基础物理研究及精密测量技术中发挥重要作用。 小型化、集成化的克尔光梳器件还有望将光梳的应用扩大到更广泛的领域，包括高精度GPS 定位，化学传感与探测，激光雷达，任意波形发生，高速光通信等。
[0004] 尽管如此，与传统的飞秒激光器光梳相比，基于克尔光梳的模式锁定和超短激光 脉冲产生目前还没有成熟的方案。现有方案存在W下关键问题：目前的克尔光梳模式锁定 具有随机性，在锁模过程中，腔内产生的锁模脉冲数目是随机的，对应的光梳频谱包络也是 随机而杂乱的（光梳谱线起伏大），光梳锁模后受到各种内在和外部因素的扰动，稳定性较 差。因此，要实现克尔光梳的实际应用，需要提出新的确定性的克尔光梳模式锁定机制。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光学微腔中克尔光梳的确定性 孤子锁模方法，克服现有克尔光梳锁模方案随机性强、可靠性差且易受扰动等问题，从而快 速地、确定性地实现孤子锁模。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法包括W 下步骤：
[0007] Sl:产生累浦激光，累浦激光功率Pp胃根据W下公式计算得到：
[0009] 其中，n。为光学微腔折射率，VWf为光学微腔的等效模式体积，At表示光学微腔谐 振峰的波长，ri2为光学微腔的非线性折射率，Q为光学微腔的品质因子，a为累浦功率控制 因子，其取值范围为〇<a<1;
[0010] S2 :对累浦激光进行相位调制，调制信号的频率与光学微腔的自由频谱宽度一致， 调制信号的幅度Am= 2+0. 25D3X1039,其中化表示光学微腔的=阶色散值；
[0011] S3:将相位调制后的累浦激光通过微腔禪合器禪合进入光学微腔，控制禪合系数 使得光学微腔工作在临界禪合状态； 阳〇1引S4 :累浦激光进入光学微腔后，累浦激光的初始波长为A。=C入y(C-0. 2FSRXn。AJ，其中At表示光学微腔谐振峰的波长，C表示光速，FSR为微腔的自由频 谱宽度；然后从初始波长A。向短波长扫描累浦激光，在光学微腔输出端采集输出累浦激光 的光谱，一旦当前累浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止扫描。
[0013] 其中，步骤Sl中累浦功率控制因子a的取值范围为0. 5《a《0. 8。
[0014] 其中，步骤S4中波长扫描采用离散分步的方式，扫描步长转换为频率单位为 0. 05XL。，L。为光学微腔谐振模式的线宽。
[0015] 其中，步骤S4中判断光谱是否具有平滑包络的方法为：对于采集到的输出累浦激 光的光谱，提取当前累浦激光波长两侧吨个光梳谱线的峰值功率，然后将提取到的光梳谱 线峰值功率进行微分运算，如果满足累浦激光波长短波方向微分结果全部为正，长波方向 微分结果全部为负，则判定其具有平滑包络。
[0016] 其中，参数Ms= 0.SXMeemb,Meemb表示产生光谱频谱的40地频谱宽度。
[0017] 本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法，设置累浦激光功率小于光学 微腔参量振荡阔值功率，对产生的累浦激光进行调制，调制信号的频率与光学微腔的自由 频谱宽度一致，调制信号幅度根据光学微腔的=阶色散值来计算得到，将相位调制后的累 浦激光通过微腔禪合器禪合进入光学微腔，控制禪合系数使得光学微腔工作在临界禪合状 态，在光学微腔中，从长波长方向向短波长方向扫描累浦激光，在光学微腔输出端采集输出 累浦激光的光谱，一旦当前累浦激光的光谱具有平滑包络，说明此时已完成孤子锁模，停止 扫描。
[0018] 本发明具有W下有益效果：
[0019] (1)根据光学微腔参数来设置累浦激光功率、相位调制信号的频率与幅度，可W使 光梳的产生及孤子锁模过程具有确定性，并且可W避免高阶色散对孤子锁模的扰动；
[0020] (2)采用长波长向短波长扫描，可W使扫描过程中光学微腔内总功率维持相对稳 定，使整个光学微腔可W保持在热稳定状态。
【附图说明】
[0021] 图1是光学微腔克尔光梳产生装置示意图；
[0022] 图2是本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法的流程图；
[0023] 图3是相位调制后的累浦激光频谱图；
[0024] 图4是具有平滑包络的克尔光梳频谱图；
[0025] 图5是模式锁定后的孤子脉冲波形；
[0026] 图6是孤子锁模过各中光学微腔内总功率变化曲线；
[0027] 图7是微腔内孤子脉冲和累浦背景有效失谐量的变化图；
[0028] 图8克尔光梳产生过程中频谱的动态演化图；
[0029] 图9是10次独立孤子锁模过程输出光谱的叠加图；
[0030] 图10是相位调制幅度为3时光学微腔内波形动态演化图；
[0031] 图11是相位调制系数为0. 3时的累浦光谱图；
[0032] 图12是相位调制幅度为0. 3时光学微腔内波形动态演化图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，W便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在W下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，运些描述在运里将被忽略。
[0034] 实施例
[0035] 图1是光学微腔克尔光梳产生装置示例图。如图1所示，光学微腔克尔光梳产生 装置包括累浦激光模块、累浦调制模块、光学微腔模块和输出监测模块。本实施例中采用可 调谐激光器作为累浦激光模块，输出波长可调的连续光，通过光纤输入到累浦调制模块。在 累浦调制模块中，连续光累浦首先经过偏振控制器，然后进入到光电相位调制器。正弦信号 发生器产生正弦信号，作为调制信号输入相位调制器。相位调制器采用调制信号对连续光 累浦进行调制，相位调制器的插入损耗由一个光放大器进行补偿，然后再经过一个带通滤 波器，滤除光放大器引入的自发福射噪声。通过相位调制器后，累浦光频谱将出现了多个调 制边带。相位调制后的累浦激光通过微腔禪合器禪合进入光学微腔。在光学微腔中对累浦 激光进行波长扫描。将光学微腔的输出端通过光纤与一个光谱仪相连，用于监测克尔光梳 的产生与模式锁定状态。
[0036] 本发明针对累浦激光的生成、调制W及光学微腔扫描过程进行改进，提出了光学 微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法。图2是本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子 锁模方法的流程图。如图2所示，本发明光学微腔中克尔光梳的确定性孤子锁模方法包括 W下步骤：
[0037] S201 :产生累浦激光：
[0038] 产生累浦激光，累浦激光功率Pp胃设置为小于为光学微腔中产生参量振荡阔值功 率的值，即Pp胃的计算公式为：
[0040] 其中，n。为光学微腔折射率，VWf为光学微腔的等效模式体积，At表示光学微腔谐 振峰的波长，ri2为光学微腔的非线性折射率，Q为光学微腔的品质因子，a为累浦功率控制 因子，其取值范围为0 <a< 1。
[0041] 设置累浦激光功率小于参量振荡阔值，可W使得光学微腔中克尔光梳的产生完全 由相位调制边带直接的四波混频产生，避免通过参量放大噪声来产生调制不稳定性边带， 从而保证所述光频率梳的产生及孤子锁模过程具有确定性。不过累浦激光的功率也不宜过 小，一般设置a的取值范围为0. 5《a《0. 8。
[0042] S202 :累浦激光相位调制：
[0043] 采用累浦调制模块对累浦激光进行相位调制，调制信号的频率与光学微腔的自由 频谱宽度（FSR) -致，调制信号的幅度Am=化0.25D3XIO39,其中化表示光学微腔的S阶色 散值。根据光学微腔的=阶色散参数设置累浦激光相位调制所采用的调制信号的幅度，可 W根据=阶色散大小产生多个调制边带，使得在光梳产生及孤子锁模过程中最终产生的耗 散腔孤子的群速度与相位调制累浦的群速度一致，避免累浦波形与孤子脉冲波形走离，有 助于实现累浦对孤子脉冲的快速锁定。
[0044] S203 :向光学微腔输入累浦激光：
[0045] 将相位调制后的累浦激光通过微腔禪合器禪合进入光学微腔，控制禪合系数使得 光学微腔工作在临界禪合状态。
[0046] S204 :累浦激光扫描：
[0047] 累浦激光进入光学微腔后，先将累浦激光的初始波长置于光学微腔谐振峰的长波 长方向，偏移量设为累浦谐振频率相邻自由频谱宽度FSR的20 %，也就是说累浦激光的初 始波长为A。=CAy(c-〇.SFSR