适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置及方法

1.本公开涉及微腔光学频率梳技术领域，尤其涉及一种适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置及方法。


背景技术：

2.光学频率梳在频域上表现为一系列等间隔的频率梳齿实现覆盖其频率范围内所有波长的直接锁定，并且可以溯源至微波频率标准。光学频率梳主要有锁模激光光学频率梳、电光光学频率梳、量子级联激光光学频率梳和微腔光学频率梳几种类型。其中，微腔光学频率梳具有可集成、低功耗、高重复频率和宽波段等特点，在相干光通讯、精密光谱学和光学测距等领域有着重要的应用价值。
3.如何精确地调控和稳定光频梳的频谱对于应用微腔光学频率梳至关重要，微腔光学频率梳的频谱通常由重复频率和偏移频率决定，但偏移频率的获取较为困难并且对于频谱展宽的要求较高。另一方面，现有的调控和稳定光频梳频谱的方案需要体积较为庞大的参考系统，不利于小型化。


技术实现要素：

4.为至少部分地克服上述提及的至少一种或者其它发明的技术缺陷，本公开的至少一种实施例提出了一种适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置及方法，通过设置光源频率确定单元和调制单元可以输出频率稳定的微腔光学频率梳，并且光频梳梳齿频率可以由原子跃迁线直接确定。
5.根据本发明的一个方面，提供了一种适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置，包括：光源部，被配置为发射光束；分束装置，被配置为将所述光源部发射的光束分为多束第一光束传输；光源频率确定单元，与所述分束装置的第一输出口连接，基于所述光源频率确定单元内的原子对所述第一光束的吸收确定调节频率，所述光源部基于所述调节频率调节发射第二光束的频率；谐振微腔，与所述光源频率确定单元连接，所述第二光束在所述谐振微腔内产生第一微腔光学频率梳；以及调制单元，设置在所述分束装置的第二输出口与所述谐振微腔之间，被配置为基于所述第一微腔光学频率梳的重复频率将所述第二光束调制为带有所述重复频率信息的第三光束，所述第三光束在所述谐振微腔内产生第二微腔光学频率梳。
6.在一些实施例中，所述光源频率确定单元包括：倍频晶体，与所述分束装置的第一输出口连接，被配置为对所述第一光束进行频率转换以使所述转换后的第一光束的波长与所述原子的跃迁能级匹配；原子气室，与所述倍频晶体连接，所述频率转换后的第一光束经过所述原子气室中的所述原子吸收后射出；光电探测器，被配置为将所述被原子气室中的原子吸收后的第一光束的光信号转化为电信号；以及反馈系统，与所述光电探测器连接，被配置为基于所述电信号计算误差信号并基于所述误差信号确定所述调节频率。
7.在一些实施例中，所述调制单元包括：电光调制器，设置在所述分束装置的第二输
出口与所述谐振微腔之间，被配置为对所述第二光束调制；以及微波源，与所述电光调制器连接，被配置为对所述电光调制器调制，其中，基于所述第一微腔光学频率梳的重复频率设置所述微波源的调制信号频率，以使经所述电光调制器调制后得到的所述第三光束带有所述第一微腔光学频率梳的重复频率信息。
8.在一些实施例中，还包括：多个传输单元，所述第三光束通过所述传输单元单向射入所述谐振微腔中；以及辅助单元，与所述谐振微腔连接，被配置为发射辅助光束，以使在所述谐振微腔内产生微腔光学频率梳的情况下平衡热效应。
9.在一些实施例中，所述辅助光束通过所述传输单元单向射入所述谐振微腔中。
10.在一些实施例中，所述多个传输单元包括：光纤偏振控制器，设置在所述光源部和/或所述辅助单元与所述谐振微腔之间，被配置为控制所述第三光束和/或所述辅助光束的偏振；以及光纤隔离器，与所述光纤偏振控制器连接，被配置为使所述第三光束和/或所述辅助光束单向射入所述谐振微腔中。
11.在一些实施例中，所述多个传输单元还包括：光纤放大器，一端与所述光源部和/或所述辅助单元连接，另一端与所述光纤偏振控制器连接，所述光纤放大器被配置为将所述第三光束和/或所述辅助光束的功率放大。
12.在一些实施例中，所述反馈系统包括：示波器，被配置为基于所述电信号得到所述原子的饱和吸收谱线；调制解调器，基于所述饱和吸收谱线中的吸收峰获得所述误差信号；以及比例-积分-微分反馈装置，基于所述误差信号确定所述调节频率。
13.在一些实施例中，所述原子气室为铷原子气室。
14.根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述装置的产生频率稳定的微腔光学频率梳的方法，包括：将所述第一光束射入所述光源频率确定单元后，通过基于原子对所述第一光束的吸收确定所述调节频率，以使所述第二光束的频率保持在预设范围内；基于由所述第二光束在所述谐振微腔内产生的第一微腔光学频率梳的重复频率将所述第二光束调制为带有所述重复频率信息的第三光束；以及所述第三光束射入所述谐振微腔并通过注入锁定过程将重复频率锁定，在所述谐振微腔内产生第二微腔光学频率梳。
15.根据本公开实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置及方法，通过设置光源频率确定单元可以实现将激光器发射的光束的频率稳定锁定到原子的跃迁能级上，锁定到原子的跃迁能级上的第二光束在谐振微腔内可以产生中心频率稳定的第一微腔光学频率梳。通过设置调制单元可以将第一微腔光学频率梳的重复频率调制到第二光束上形成第三光束，由于调制后得到的第三光束具有与第一微腔光频梳相似的频率分量，因此，在将第三光束注入到第一微腔光学频率梳上后，可以通过注入锁定过程实现稳定第一微腔光学频率梳的重复频率的目的。因此，通过将第三光束注入到第一微腔光学频率梳后，可以在谐振微腔内可以形成具有频率稳定梳齿的第二微腔光学频率梳；另外，形成的第二微腔光学频率梳的每一根梳齿的频域都可以由原子的跃迁频率直接确定，进而可以避免设置多个反馈系统和多个额外参考光源，简化系统的复杂度，同时可以避免对于偏移频率的探测，减小对于光频梳系统频谱展宽的要求，可以拓展到更多微腔光频梳体系中。
附图说明
16.图1示意性示出了根据本公开实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的
装置的原理图；
17.图2示意性示出了根据本公开实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置的将谐振微腔封装后的剖视图；
18.图3示意性示出了根据本公开实施例的利用上述装置产生频率稳定的微腔光学频率梳的方法流程图；以及
19.图4示意性示出了根据本公开实施例的利用上述方法产生的频率稳定的微腔光学频率梳示意图。
20.附图标记说明
21.1：光源部；
22.2：分束装置；
23.3：光源频率确定单元；
24.31：倍频晶体；
25.32：原子气室；
26.33：光电探测器；
27.34：反馈系统；
28.4：谐振微腔；
29.5：调制单元；
30.51：电光调制器；
31.52：微波源；
32.6：多个传输单元；
33.61：光纤放大器；
34.62：光纤偏振控制器；
35.63：光纤隔离器；
36.7：辅助单元；
37.8：光纤；
38.9：光纤阵列；
39.10：波导。
具体实施方式
40.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
41.以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
42.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
43.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
44.为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。
45.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
46.图1示意性示出了根据本公开实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置的原理图。
47.如图1所示，本公开提供的一种适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置包括光源部1、分束装置2、光源频率确定单元3、谐振微腔4以及调制单元5。
48.具体地，光源部1被配置为发射光束。分束装置2被配置为将光源部1发射的光束分为多束第一光束传输。光源频率确定单元3与分束装置2的第一输出口连接，基于光源频率确定单元3内的原子对第一光束的吸收确定调节频率，光源部1基于调节频率调节发射第二光束的频率。谐振微腔4与光源频率确定单元3连接，第二光束在谐振微腔4内产生第一微腔光学频率梳；调制单元5设置在分束装置2的第二输出口与谐振微腔4之间，被配置为基于第一微腔光学频率梳的重复频率将第二光束调制为带有重复频率信息的第三光束，第三光束在谐振微腔4内产生第二微腔光学频率梳。
49.根据本公开上述实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置，通过将光源部1发射的光束经过分束装置2分为多束第一光束，通过光源频率确定单元3内的原子对第一光束的吸收，可以确定需要对光源部1调节的调节频率。具体地，光源频率确定单元3内的原子对第一光束的吸收可以通过原子吸收谱线确定。例如，可以调节光源部1发射光束的频率处于原子吸收峰上，以实现光束的频率锁定到原子的跃迁能级上。例如，可通过实时观察原子吸收峰的变化，调节光源部1发射光束的频率，以实现光源部1发射的光束稳定的处于同一原子吸收峰上。光源部1可以采用泵浦激光，分束装置2可以选用光纤分束器。需要说明的是，第一光束和第二光束可以持续变化的，例如，经过调节后发射的第二光束经过分束装置2分束后可以成为新的第一光束射入光源频率确定单元3中。
50.进一步地，可以通过将经调节后锁定到原子的跃迁能级上的第二光束射入谐振微腔4产生第一微腔光学频率梳后，将第一微腔光学频率梳的重复频率调制到第二光束上，再通过将调制后的第三光束射入到谐振微腔4内，以实现确定频率稳定的微腔光学频率梳。例如，可以通过将第一微腔光学频率梳的重复频率通过调制单元5调制到第二光束上，调制单元5可以为能够完成频率调制操作的任一装置。
51.根据本公开实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置，通过设置光源频率确定单元3可以实现将激光器发射的光束的频率稳定锁定到原子的跃迁能级上，锁定到原子的跃迁能级上的第二光束在谐振微腔4内可以产生中心频率稳定的第一微腔光学频率梳。通过设置调制单元5可以将第一微腔光学频率梳的重复频率调制到第二光束上形成第三光束，由于调制后得到的第三光束具有与第一微腔光频梳相似的频率分量，因此，在将第三光束注入到第一微腔光学频率梳上后，可以实现稳定第一微腔光学频率梳的重复频率的目的。因此，通过将第三光束注入到第一微腔光学频率梳后，可以在谐振微腔4内形成具有稳定梳齿频率的第二微腔光学频率梳，且形成的第二微腔光学频率梳的每一根梳齿的频域都可以由原子的跃迁频率直接确定，进而可以避免设置多个反馈系统和多个额外参考光源，简化系统的复杂度，同时可以避免对于偏移频率的探测，减小对于光频梳系统频谱展宽的要求，拓展到更多微腔光频梳体系中。
52.在一些实施例中，光源频率确定单元3包括倍频晶体31、原子气室32、光电探测器33以及反馈系统34。
53.具体地，倍频晶体31与分束装置2的第一输出口连接，被配置为对第一光束进行频率转换以使转换后的第一光束的波长与原子的跃迁能级匹配。倍频晶体31可以选用铌酸锂倍频晶体，原子气室32与倍频晶体31连接，频率转换后的第一光束经过原子气室32中的原子吸收后射出。原子气室32可以选用铷原子气室。光电探测器33被配置为将被原子气室32中的原子吸收后的第一光束的光信号转化为电信号。反馈系统34与光电探测器33连接，被配置为基于电信号计算误差信号并基于误差信号确定调节频率。
54.进一步地，在第一光束射入倍频晶体31后，倍频晶体31可以使第一光束发生频率转换，例如，光束在进入倍频晶体31前的波长为1560.48nm，经过倍频晶体31后波长转换为780.24nm，以便倍频后光束的波长能够与原子气室32中原子的跃迁能级匹配，从而可以在光束进入原子气室32后使原子气室32内的原子发生跃迁，并且在扫描被吸收后的光束的情况下，可以观察到原子的饱和吸收谱线。光电探测器33将原子饱和吸收谱线的光学信号转换为电学信号。反馈系统34通过将光电探测器33得到的电学信号转化为误差信号后，可以通过误差信号确定需要对光源部1进行调节的调节频率，通过上述过程可以对光源部1发射光束的频率进行实时检测和调节，使得光源部1发射稳定的光束，并且发射的光束锁定到原子的跃迁能级上。
55.在一些实施例中，反馈系统34可以包括示波器、比例-积分-微分反馈装置以及调制解调器。
56.具体地，示波器可以用于基于光电探测器33转化的电信号观测原子的饱和吸收谱线。调制解调器可以基于饱和吸收谱线中的吸收峰计算误差信号。比例-积分-微分反馈装置可以基于误差信号确定节光源部1的调节频率，光源部1发射稳定的光束且发射的光束可以锁定到原子跃迁能级上。
57.在一些实施例中，调制单元5包括电光调制器51以及微波源52。
58.具体地，电光调制器51设置在分束装置2的第二输出口与谐振微腔4之间，被配置为对第二光束调制。微波源52与电光调制器51连接，被配置为对电光调制器51调制。基于第一微腔光学频率梳的重复频率设置微波源52的调制信号频率，以使经电光调制器51调制后得到的第三光束带有第一微腔光学频率梳的重复频率信息。
59.进一步地，可以通过微波源52对电光调制器51进行调制，再由调制后的电光调制器51对第二光束进行调制。例如，可以通过将第一微腔光学频率梳的重复频率调制到微波源52上。再由微波源52对电光调制器51调制，调制后的电光调制器51可以将第二光束调制为第三光束。第三光束的频率信息可以包括以下至少之一：第二光束的频率、第二光束的频率加上第一微腔光学频率梳的重复频率以及第二光束的频率减去第一微腔光学频率梳的重复频率。换句话说，通过微波源52和电光调制器51可以将第三光束调制为带有第一微腔光学频率梳的重复频率信息的光束，第三光束射入谐振微腔4后，通过注入锁定过程将重复频率锁定到基于第一微腔光学频率梳的重复频率设置的微波源52上，在谐振微腔4内产生频率稳定的微腔光学频率梳，而无需再获取偏移频率。
60.在一些实施例中，适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置，还包括多个传输单元6以及辅助单元7。
61.具体地，第三光束可以通过多个传输单元6单向射入谐振微腔4中。辅助光束也可以通过多个传输单元6单向射入谐振微腔4中。
62.传输单元6可以包括光纤放大器61、光纤偏振控制器62以及光纤隔离器63。光纤偏振控制器62设置在光源部1和/或辅助单元7与谐振微腔4之间，可以用于控制第三光束和辅助光束中的至少一个的偏振。光纤隔离器63与光纤偏振控制器62连接，可以用于使第三光束和辅助光束中的至少一个单向射入谐振微腔4中，防止反射的光束将光纤放大器61击坏。光纤放大器61一端与光源部1和/或辅助单元7连接，另一端与光纤偏振控制器62连接，可以用于将第三光束和辅助光束中的至少一个的功率放大。其中，光纤隔离器63可以替换为光纤环形器，同样也能够达到相似的效果。辅助单元7与谐振微腔4连接，可以用于发射辅助光束，以使在谐振微腔4内产生微腔光学频率梳的过程中平衡热效应。具体地，谐振微腔4内具有很强的热效应，通过辅助单元7发射与第三光束射入方向相反的辅助光束，可以平衡谐振微腔4内的热效应，辅助产生第二微腔光学频率梳。
63.图2示意性示出了根据本公开实施例的适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置的将谐振微腔封装后的剖视图。
64.如图2所示，将谐振微腔封装后的结构包括谐振微腔4、光纤8、光纤阵列9和波导10。具体地，光束通过光纤8进入光纤阵列9后可以形成阵列形式以便与波导10进行耦合，通过波导10进入到谐振微腔4内部后可以产生微腔光学频率梳。在光纤阵列9与波导10对齐后，可以通过使用低折射率胶将两者固化，以保证封装后的相对稳定。
65.图3示意性示出了根据本公开实施例的利用上述装置产生频率稳定的微腔光学频率梳的方法流程图。
66.如图3所示，该方法可以包括执行操作s301～s303。
67.在操作s301：将第一光束射入光源频率确定单元后，通过基于原子对第一光束的吸收确定调节频率，以使第二光束的频率保持在预设范围内。
68.在操作s302：基于由第二光束在谐振微腔内产生的第一微腔光学频率梳的重复频率将第二光束调制为带有重复频率信息的第三光束。
69.在操作s303：第三光束射入谐振微腔并通过注入锁定过程将重复频率锁定，在谐振微腔内产生第二微腔光学频率梳。
70.根据本公开实施例，通过光源频率确定单元3可以将第一光束调节为保持在预设
范围内的第二光束，也即是说，可以使得发光单元发射稳定的光束，并且在此过程中，考虑到了原子对于光束的吸收，可以将光源部1发射的光束锁定到原子跃迁能级上。进一步地，通过将稳定的第二光束射入谐振微腔4后可以产生第一微腔光学频率梳，将第一微腔光学频率梳的重复频率调制到第二光束后，可以得到带有重复频率信息的第三光束，第三光束射入谐振微腔4内后，将第三光束注入到第一微腔光学频率梳上后，通过注入锁定过程可以产生具有频率稳定梳齿频率的第二微腔光学频率梳，并且产生的第二微腔光学频率梳的每一根梳齿的频域都可以由原子的跃迁频率直接确定，可以避免设置多个反馈系统和多个额外参考光源，简化系统的复杂度，同时可以避免对于偏移频率的探测，进而减小对于光频梳系统频谱展宽的要求，拓展到更多光频梳体系中。
71.实施例：
72.以光源部1为泵浦激光1，分束装置2为光纤分束器2，倍频晶体31为铌酸锂倍频晶体31，辅助光束为辅助激光为例，谐振微腔4为微环谐振微腔4。
73.泵浦激光1经过光纤分束器2分束之后一部分激光经过铌酸锂倍频晶体31进行频率转换。倍频之后的泵浦激光1经过铷原子气室32后，光电探测器33可以将探测到的光学信号转换为电学信号送入反馈系统34。反馈系统34可以通过示波器探测铷原子的饱和吸收谱线，通过探测铷原子的饱和吸收谱线的吸收峰的变化和调制解调器可以获取误差信号，通过误差信号和比例-积分-微分反馈装置可以确定需要调节泵浦激光1发射光束的调节频率，以便泵浦激光1发射稳定且频率锁定到铷原子的饱和吸收谱线上的光束。
74.经过调节后的激光射入到微环谐振微腔4后可以产生中心频率稳定的第一微腔光学频率梳，将第一微腔光学频率梳的重复频率注入到微波源52后，通过微波源52调制电光调制器51，在由电光调制器51调制激光，可以使得最终射入微环谐振微腔4的激光带有重复频率信息，以生成重复频率稳定的第二微腔光学频率梳。
75.图4示意性示出了根据本公开实施例的利用上述方法产生的频率稳定的微腔光学频率梳示意图。
76.如图4所示，在本公开实施例中，在辅助激光平衡腔内热效应后，可以产生第二微腔光学频率梳。
77.利用上述方法可以产生中心频率和重复频率均稳定的微腔光学频率梳。
78.在本公开实施例中，上述器件，例如，铷原子气室、电光调制器、铌酸锂晶体和微环谐振微腔可以集成化，因此，该适用于产生微腔光学频率梳的装置可以实现小型化和集成化，可以应用在在多个实际场景中。
79.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开适用于产生频率稳定的微腔光学频率梳的装置及方法有了清楚的认识。
80.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
81.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求
中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
82.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
83.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
84.以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。