基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置及产生方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成光学及非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置及产生方法。
【背景技术】
[0002]光频梳是一些离散的、等间距频率的像梳子一样的形状的光谱，广泛用于精密测量。基于光学微腔的光频梳技术拓展了传统光频梳技术的应用范围，在精密频率标定、片上多波长光源和光孤子传输、存储等器件的应用方面有较高优势，能够降低激光器的数量，改善传输信号信噪比，以及作为动态缓存等。
[0003]传统的光频梳技术依赖于锁模激光器，激光器的腔长一般较长，故生成的梳齿之间的间隔非常窄，通常小于1GHz。而基于非线性光学微腔的光频梳技术可以很好的补充传统光频梳技术的不足。与此同时，光学微腔具有器件尺寸小、功率消耗低、响应速度快、且制作工艺简单成熟等特点，很好的满足了全光非线性器件的发展方向。一束泵浦光注入微腔，当泵浦光的波长和微腔的谐振波长相近且功率超过阈值，会在腔内形成回音壁模式，使得光强场相干叠加，形成高能量密度，激发介质的非线性效应，并与色散特性共同作用通过四波混频效应产生一些新的频率成分，使得泵浦光的频谱得到有效展宽，形成梳齿状频谱。各梳齿间的间隔正好等于微腔的自由频谱范围(Free Spectral Range，FSR)。
[0004]光学微腔光频梳的产生是一单频的泵浦光进入光学微腔，结构简单。第一级光频梳的产生基于光学微腔的调制不稳定性，是由非线性和色散效应之间的相互作用导致的对稳态的调制，这种调制不稳定性表现为将连续或准连续的辐射分裂成一列超短脉冲，频域表现为频谱的展宽。只有当泵浦光的功率超过阈值才能产生光频梳，而阈值功率由光学微腔的性能决定，通常需要较高的泵浦功率，不利于光学微腔光频梳的产生。且第一级光频梳的位置由光学微腔的性能和泵浦光功率决定，缺乏主动的优化机制，不能实现梳齿间隔可控。
[0005]基于注入种子光的光学微腔光频梳，可以降低光频梳产生的阈值，提高相干性，并实现梳齿间隔可控。目前种子光的产生有两种方法，分别是泵浦光电光调制边带和梳齿反馈。电光调制产生的边带之间的频率间隔受限于射频信号，通常为几十GHz，且高阶边带的功率通常很低，使该方法仅限于FSR为几十GHz的光学微腔，对光学微腔的FSR容忍度低。而梳齿反馈作为种子光，由于相邻圈的光场一直在变化，不利于光频梳的稳定。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置，旨在解决现有技术中单一泵浦产生光频梳的梳齿间隔不可控的问题。
[0007]本发明提供了一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置，包括泵浦激光、第一光放大器、第一分束器、光纤环、光滤波器、合束器和光学微腔；所述第一放大器的输入端连接所述泵浦激光，所述第一分束器的输入端连接至所述第一放大器的输出端；所述光纤环的一端连接至所述第一分束器的第二输出端，所述光滤波器的输入端连接至所述光纤环的另一端，所述合束器的第一输入端连接至所述第一分束器的第一输出端，所述合束器的第二输入端连接至所述光滤波器的输出端，所述光学微腔的输入端连接至所述合束器的输出端；所述泵浦激光的输出经过所述第一光放大器放大后被所述第一分束器分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分依次经过所述光纤环和所述光滤波器后成为种子光，所述泵浦光和所述种子光经过所述合束器后注入光学微腔中，产生梳齿间隔可控的光频梳。
[0008]更进一步地，所述光纤环包括第二光放大器和单边带调制器；所述单边带调制器的第一输入端作为所述光纤环的一端，所述第二光放大器的输入端连接至所述单边带调制器的输出端，所述第二光放大器的输出端作为所述光纤环的另一端，所述单边带调制器的第二输入端用于接收外部的射频信号。
[0009]更进一步地，所述单边带调制器用于产生一个频率可控的调制边带。
[0010]更进一步地，所述单边带调制器包括第二分束器、移相器和IQ调制器；所述第二分束器的输入端作为所述单边带调制器的第二输入端，所述移相器的输入端连接至所述第二分束器的第二输出端，所述IQ调制器的第一输入端连接至所述第二分束器的第一输出端，所述IQ调制器的第二输入端连接至所述移相器的输出端，所述IQ调制器的第三输入端作为所述单边带调制器的第一输入端，所述IQ调制器的输出端作为所述单边带调制器的输出端。
[0011]更进一步地，所述光滤波器用于使得除泵浦激光波长以外的一个或多个波长透过。
[0012]更进一步地，所述光纤环用于产生多个等间距的频率分量，频率间隔等于所述射频信号的调制频率。
[0013]更进一步地，通过调整光滤波器的中心波长，改变种子光和泵浦光之间的距离，实现梳齿间隔可控的光频梳输出。
[0014]本发明中，增加了一路种子光信号，种子光通过泵浦光的单边带调制产生，同时还解决了电光调制边带作为种子光对光学微腔FSR容忍度低、频谱反馈产生种子光的方法很难实现稳定的光频梳输出的问题。
[0015]本发明还提供了一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生方法，包括下述步骤:
[0016](I)将放大后的泵浦激光分成两部分，一部分成为泵浦光；另一部分经过调制后产生多个等间距的频率分量，再经过光滤波器后成为种子光；
[0017](2)所述泵浦光和所述种子光经过合束后注入光学微腔中，产生梳齿间隔可控的光频梳。
[0018]更进一步地，所述频率分量的频率间隔等于射频信号调制频率。
[0019]更进一步地，通过调整光滤波器的中心波长，改变种子光和泵浦光之间的距离，实现梳齿间隔可控的光频梳输出。
[0020]本发明增加了一路种子光信号，能够对光学微腔光频梳产生的动力学过程进行干预，最终影响光频梳的产生效果。选择泵浦光之外的一个或多个梳齿作为种子光和泵浦一起注入光学微腔，能比较容易产生光频梳，并且产生光频梳的梳齿间隔可控。与基于梳齿反馈调控的光学微腔光频梳产生系统相比，该系统易实现光频梳的稳定，得到梳齿间隔可控的光频梳。与基于泵浦光的电光调制边带作为种子光相比，该系统产生的种子光的波长和功率可调范围增大，增加了对光学微腔FSR的容忍度。该系统能产生稳定的光频梳、提高相干性、实现梳齿间隔可控，并改善对光学微腔FSR的容忍度。本发明结构简单，可重复性强。
【附图说明】
[0021]图1是一种基于注入种子光的光学微腔光频梳产生系统的示意图。
[0022]图2是本发明的实施例，其中，有可调单频谐激光器201、高功率光放大器202、分束器203、单边带调制器204、光放大器205、光滤波器206、合束器207、光学微腔208、输出端 209。
[0023]图3是单边带调制方法的示意图。
[0024]图4是本发明的第一个实施例的仿真光谱图。
[0025]图5是本发明的第二个实施例的仿真光谱图。种子光位于距离泵浦光为I XFSR、3XFSR、5XFSR时的光频梳谱线，分别对应图(a)、(b)、(c);其中，横坐标表示模式数，纵坐标表示频谱功率。
[0026]图6是本发明的第三个实施例的仿真光谱图，其中，横坐标表示模式数，纵坐标表示频谱功率。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]本发明提供了一种高性能易实现的基于注入种子光的光学微腔光频梳产生系统，能较易实现稳定的光频梳、提高相干性、实现梳齿间隔可控，并改善对光学微腔FSR的容忍度。
[0029]本发明实施例提供的基于注入种子光的光学微腔光频梳产生装置包括:泵浦激光1、第一光放大器2、第一分束器3、单边带调制器5、第二光放大器4、光滤波器6、合束器7、光学微腔8。其中泵浦激光I的输出经过第一光放大器2后由第一分束器3分成两部分，一部分成为泵浦光经过合束器7直接进入光学微腔8，令一部分经过由单边带调制器5和第二光放大器4组成的的光纤环和光滤波器6后成为种子光，再经过合束器与泵浦光一起注入光学微腔8中。
[0030]泵浦激光I是激光光源，激光光源按其激活物质分类，包括固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光。泵浦激光I通常是单一频率的高相干光，激发光学微腔8的非线性过程。
[0031]第一光放大器2和第二光放大器4的结构相同，可以为光纤放大器、固体光放大器或半导体光放大器。第一分束器3和合束器7结构相同，可以是光纤耦合器、集成波导耦合器、光学分光片、波分复用器、带通光滤波器或光上下路复用器。
[0032]如图3所示，单边带调制器5包括第二分束器51、移相器52和IQ调制器53 ;第二分束器51的输入端作为单边带调制器5的第二输入端，移相器52的输入端连接至第二分束器51的第二输出端，IQ调制器53的第一输入端连接至第二分束器51的第一输出端，IQ调制器53的第二输入端连接至所述移相器52的输出端，IQ