一种克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法与流程

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法。

背景技术：

光学频率梳(简称光频梳)可以提供等间隔的频率标签，为光谱学和精密测量提供了革命性的工具。光频梳在精密光谱学、天文光谱校准、超稳微波振荡器、高速光通信等诸多领域都有着较大的应用前景。

目前，大部分光频梳是基于超短脉冲激光器产生的，这类设备往往体积大、结构复杂、价格昂贵，并且不能够集成。近几年，随着技术的发展，出现了一种基于超高品质因数(简称高q值)光学微腔产生光频梳的崭新方案。这种方案利用光学微腔中的克尔参量震荡效应产生光频梳，简称克尔光梳。

与传统的超短脉冲激光器相比，基于高q值光学微腔的光梳方案具有体积小、结构简单、成本低、能够单片集成的优势。因此，基于高q值光线微腔的克尔光频梳方案是未来产生光频梳的理想技术方案，有望大量应用于精密光谱学、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，克尔光梳的模式锁定方案主要是孤子锁模，但是，由于克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应的影响，实现孤子锁模具有很大的挑战。要实现孤子锁模，泵浦激光波长需要进入光学微腔谐振区的红失谐区域，但是，由于热效应的影响，光学微腔的红失谐区域是不稳定的，当泵浦激光从蓝失谐区进入红失谐区时，光学微腔的谐振峰会快速蓝移，泵浦激光很快移出光学微腔谐振区的红失谐区。

目前，克服孤子锁模过程中微腔热效应的方案主要有快速波长扫描和预调制泵浦激光。这两种方案都能使泵浦波长进入到红失谐区产生孤子，但是，这两种方案的孤子锁模过程具有随机性、可靠性差且易受扰动等问题，并且比较复杂，难以在实际中应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法，在克服微腔热效应的同时，避免现有克尔光梳孤子锁模过程随机性强、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。

为实现上述发明目的，本发明克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、先产生用于补偿孤子锁模过程中微腔热效应的辅助激光，调整辅助激光的偏振态即偏振控制，将偏振控制后的辅助激光通过一微腔耦合器反方向(相对泵浦激光在腔内传播方向而言)耦合进入光学微腔；

(2)、然后产生用于在光学微腔中产生克尔光梳的泵浦激光，调整泵浦激光的偏振态即偏振控制，将偏振控制后的泵浦激光通过另一微腔耦合器正向耦合进入光学微腔；

其中，泵浦激光功率高于光学微腔参量振荡阈值功率，辅助激光功率不小于泵浦激光功率；

(3)调整辅助激光波长或功率，使泵浦激光能够平滑过渡到微腔红失谐状态；

(4)、保持辅助激光波长和功率不变，扫描泵浦激光波长，实现孤子锁模；

(5)、监控克尔光梳的光功率，反馈控制辅助激光波长：当克尔光梳功率减小，增大辅助激光波长，当克尔光梳功率增大，减小辅助激光波长，以稳定孤子锁模状态。

本发明的目的是这样实现的：

本发明克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法，通过在光学微腔中引入辅助激光，利用辅助激光加热弥补孤子锁模过程中的热效应，保持光学微腔孤子锁模过程中热平衡状态，每次都可以确定性实现光学微腔中孤子锁模，大大简化了微腔中孤子锁模过程，避免了现有克尔光梳孤子锁模过程随机性强、可靠性差且易受扰动等问题；同时，通过监控克尔光梳的光功率，反馈控制辅助激光波长，孤子锁模状态可以长时间稳定存在，并且孤子锁模状态在受到外界干扰丢失后，能通过控制辅助激光，自动恢复到孤子锁模状态，极大提高了光学微腔中孤子锁模状态的稳定性。

附图说明

图1是应用本发明的光学微腔克尔光梳产生装置一种具体实施方式结构示意图；

图2是本发明克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法一种具体实施流程图；

图3是辅助激光和泵浦激光波长处的谐振峰示意图；

图4是实验测得具有平滑包络的克尔光梳频谱图；

图5是实验测得存在/不存在辅助激光时微腔的输出光谱图；

图6是输出端克尔光梳、泵浦激光以及辅助激光功率变化趋势图；

图7是多次孤子锁模的可靠性示意图；

图8是孤子锁模状态的稳定性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以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，在以下的描述中，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，这些描述在这里将被忽略。

图1是应用本发明的光学微腔克尔光梳产生装置一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图1所示，光学微腔克尔光梳产生装置包括泵浦激光模块1、光学微腔模块2、辅助激光模块3和输出检测模块4。本实施例中，泵浦激光模块1和辅助激光模块3结构相同，分别包含可调谐激光器101、301、偏振控制器(pc)102、302、功率放大器(edfa)103、303以及光纤布拉格光栅(fbg)104、304和光纤环形器105、305，可调谐激光器101、301输出波长可调的连续光即泵浦激光、辅助激光，经过偏振控制器102、302后输入功率放大器103、303放大，通过光纤环形器105、305送入光纤布拉格光栅(fbg)滤除带外ase噪声(放大器自发辐射噪声即amplifierspontaneousemissionnoise，简称ase噪声)后，再通过光纤环形器105、305送入光学微腔模块2中。

光学微腔模块2包含光学微腔201以及耦合棱镜202、203，其中，耦合棱镜作为微腔耦合器。放大后的激光包括泵浦激光以及辅助激光，通过各自的耦合棱镜202、203耦合进入光学微腔201。在本实施例中，光学微腔201带有一温度控制模块tec，其通过温度控制模块保持恒定温度，在本实施例中，光学微腔201温度变化小于0.1摄氏度。

输出检测模块4包含两个光纤环形器401、402、光耦合器403、404、光谱仪(osa)405、光带通滤波器(obpf)406、光纤布拉格光栅(fbg)407以及功率计(pm)408、409、410、。光纤环形器401置于泵浦激光模块1以及光学微腔模块2之间，泵浦激光模块1产生的泵浦激光经过光纤环形器401后到光学微腔模块2，同时，提取来自光学微腔模块2的辅助激光，给功率计(pm)408，用于监控辅助激光的光功率；同样，光纤环形器402置于辅助激光模块3以及光学微腔模块2之间，辅助激光模块3产生的辅助激光经过光纤环形器402后到光学微腔模块2，同时，提取来自光学微腔模块2的泵浦激光和克尔光梳的输出激光，然后光耦合器403分为两路，一路送入光谱仪(osa)405，通过光频仪观察输出激光光谱，如果当前输出激光的光谱具有平滑包络，说明已经完成孤子锁模，停止扫描，否则继续扫描波长，另一路送入另一光耦合器404再分为两路，一路通过光带通滤波器(obpf)406滤除泵浦激光外的干扰，得到的泵浦激光送入功率计409进行功率测量，同时另一路通过光纤布拉格光栅(fbg)407滤除克尔光栅外的干扰，得到的科尔光梳送入功率计(pm)410进行功率测量。其中，监控克尔光梳的光功率作为反馈信号，控制辅助激光器的波长，稳定微腔中孤子锁模状态。

本发明针对光学微腔中孤子锁模过程热效应导致的随机性和不稳定性进行改进，图2是本发明克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法一种具体实施流程图。如图2所示，本发明克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法包括以下步骤：

s201：选择辅助、泵浦激光波长：

根据光学微腔的q值特性，选择辅助激光和泵浦激光波长；要求辅助激光波长处的微腔q值不低于泵浦激光波长处的q值，满足这个条件，辅助激光才能有效补偿泵浦激光孤子锁模过程中的热效应。

s202：产生辅助激光：

产生辅助激光，调整辅助激光偏振态即偏振控制后输入edfa(掺铒光纤放大器)放大，辅助激光功率paux.需要根据辅助激光波长处和泵浦激光波长处的q值确定，paux.的计算公式为：

其中，qaux和qpump分别是辅助激光波长处和泵浦激光波长处的q值，η是功率调整系数。功率调整系数要满足ppump是泵浦光功率，需满足：

其中，n0为光学微腔折射率，veff为光学微腔的等效模式体积，λl表示光学微腔谐振峰的波长，n2为光学微腔的非线性折射率，q为光学微腔的品质因子。放大后的辅助激光输入fbg滤除带外ase噪声。

s203：向光学微腔耦合输入辅助激光：

将偏振控制和放大后的辅助激光，通过耦合棱镜反向(相对泵浦激光在腔内传播方向而言)输入光学微腔。

s204：产生泵浦激光：

产生泵浦激光，调整泵浦激光偏振态即偏振控制后输入edfa(掺铒光纤放大器)放大，设置泵浦激光功率满足大于参量振荡阈值且小于辅助激光功率。

s205：向光学微腔耦合输入泵浦激光：

将偏振控制和放大后的泵浦激光，通过耦合棱镜正向输入光学微腔，调整辅助激光波长或功率，使泵浦激光能够平滑过渡到微腔红失谐状态。

辅助激光和泵浦激光先后依次耦合进入光学微腔，并采用双向对传方案，避免辅助激光对泵浦激光的干扰。

s206：保持辅助激光波长和功率不变，扫描泵浦激光波长：

保持辅助激光波长和功率不变，扫描泵浦激光波长；在光学微腔输出端，通过光谱仪观察输出激光光谱，如果当前输出激光的光谱具有平滑包络，说明已经完成孤子锁模，停止扫描，否则继续扫描波长。

泵浦激光可在光学微腔整个谐振区扫描波长(包括蓝失谐和红失谐区)，并且扫描过程不会破坏微腔中热平衡状态；另外，每次都可以确定性实现光学微腔中孤子锁模。

s207：监控克尔光梳，反馈控制辅助激光

完成孤子锁模后，通过监控克尔光梳光功率，反馈控制辅助激光波长，实现孤子锁模状态产时间稳定状态。当克尔光梳功率减小，增大辅助激光波长；当克尔光梳功率增大，减小辅助激光波长。采用这种反馈稳定机制，孤子锁模状态可以长时间稳定存在。并且孤子锁模状态在受到外界干扰丢失后，能通过控制辅助激光，自动恢复到孤子锁模状态，极大提高了光学微腔中孤子锁模状态的稳定性。

按照以上步骤，能够有效实现光学微腔中孤子锁模。相比于快速波长扫描或泵浦激光调制等方案，本发明中，通过引入辅助激光补偿腔内热效应，可以使泵浦激光波长扫描过程中微腔内总功率维持相对稳定，腔内光功率处于有效蓝失谐状态，整个微腔可以保持在热稳定状态。因此，泵浦激光可以在红失谐区域稳定存在并且波长连续可调。腔内孤子数可以通过调泵浦激光灵活控制，是一种实现腔内孤子锁模的确定性机制。

另外，本实施例中，泵浦激光和辅助激光可以是相同的偏振态也可以是相互正交的偏振态。泵浦激光和辅助激光采用双向对传的方式，能有效避免辅助激光对泵浦激光的干扰。

由于引入辅助激光补偿了腔内孤子锁模过程中的热效应，微腔在孤子锁模状态下的稳定性得到了极大的提升。通过监控输出端克尔光梳的光功率，反馈控制辅助激光波长，能够使得孤子锁模状态长时间稳定。并且在受到外界干扰，丢失孤子锁模状态后，也能自动恢复到孤子锁模状态。因此，本发明极大的提高了光学微腔孤子锁模的稳定性。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体的实施例进行了实验验证。光学微腔采用氮化硅光学微腔，其参数为：自由频谱宽度fsr＝200ghz，品质因子q＝1×10⁶，折射率系数n0＝1.97，等效模场面积1.6μm²，谐振波长λl＝1539nm，非线性增益系数n2＝2.6×10^-20m²/w，二阶色散β2＝-11×10^-27。

本实施例中，选择泵浦激光波长和辅助激光波长分别为1539nm和1533nm。图3是光学微腔在辅助和泵浦两个波长处的谐振峰，其中圆点为实验测量值，实线是通过洛伦兹拟合得到的。泵浦激光和辅助激光波长处的谐振峰带宽分别是428.81mhz和259.98mhz。设置泵浦激光模块和辅助激光模块的edfa输出光功率为30.0dbm。调节偏振控制器，使辅助激光和泵浦激光偏振态与波导中的tm00模一致。将偏振控制和放大后的激光输入fbg和光纤环行器组成的带通滤波器，滤除带外ase噪声。在本实施例中，fbg的带宽为1nm。

将辅助激光和泵浦激光耦合进入光学微腔。本实施例中，采用耦合棱镜将激光从光纤耦合进入波导，再通过波导耦合进入光学微腔。波导和光学微腔之间的间隔是600nm。在本实施例中，首先通过波长扫描把辅助激光耦合进光学微腔，此时辅助激光位于蓝失谐状态。然后，通过波长扫描把泵浦激光耦合进入光学微腔，此时需要调整辅助激光波长，使泵浦激光能够平滑过渡到红失谐状态。辅助激光波长调整方法是，如果泵浦激光无法过渡到红失谐状态，则增大辅助激光波长或功率，直到泵浦激光平滑过渡到红失谐状态。此时，固定辅助激光波长和功率不变。

接下来对泵浦激光进行波长扫描。本实施例中，泵浦激光扫描的步长为0.4pm，观察光谱仪中微腔输出光光谱，出现平滑包络后，停止波长扫描，此时实现了克尔光梳的孤子锁模。图4是实验中测得的具有平滑包络的克尔光梳光谱图。

为了说明本发明中辅助激光对孤子锁模过程中热效应补偿的作用，在微腔输出端记录泵浦激光波长扫描过程中，克尔光梳、泵浦激光以及辅助激光的功率变化情况，实验结构如图1中所示。图5中左图，是在无辅助激光时，光学微腔的输出光谱；右图是存在辅助激光时，光学微腔的输出光谱。可以看出，辅助激光能够有效的弥补孤子锁模过程中的热效应，使得光学微腔的输出光谱接近标准洛伦兹型。图6是各部分光光功率的变化趋势，从图6中可以看出，当泵浦波长逐步扫描进入微腔后泵浦光功率逐步减小(腔内功率增大)，辅助激光功率逐步增大(腔内功率减小)，辅助激光相对谐振峰发生蓝移；此时辅助激光在微腔中加热量逐渐减小，而泵浦激光加热量逐步增大，但是微腔中总体热量保持恒定。当泵浦激光达到谐振峰底部后，继续增大泵浦激光波长，泵浦激光进入红失谐状态。此时，输出端泵浦激光功率逐步增大(腔内功率减小)，辅助激光功率逐步减小(腔内功率增大)，相应的，泵浦激光在微腔中的加热量逐步减小，辅助激光在微腔内的加热量逐步增大，但是腔内的总热量保持恒定。所以，通过引入辅助激光加热，能够有效保证泵浦激光孤子锁模过程中热平衡。

为了说明本发明热效应补偿方法对孤子锁模有效性的影响，进行了20次独立的孤子锁模。图7是实验中测得的克尔光梳功率随泵浦波长扫描的变化曲线。从图7中可以看出，20次锁模过程均能成功实现孤子锁模，这充分说明了本发明孤子锁模过程热效应补偿方法的有效性。

为了说明本发明对孤子锁模状态稳定性的提升，通过外加人为干扰，实验验证孤子锁模状态的稳定性。如图8所示，ⅰ-ⅳ分别施加了四次人为干扰，分别是泵浦激光器上的机械振动、辅助激光器上的机械振动、声波振动以及声波振动。显然，受到外界干扰后，微腔中孤子锁模状态丢失；此时，反馈控制辅助激光波长，能够迅速恢复到孤子锁模状态。

本发明克尔光梳孤子锁模过程中微腔热效应补偿方法，可根据不同光学微腔特性选择两个q值相近的谐振波长，分别作为泵浦激光和辅助激光波长。设置泵浦激光和辅助激光功率，泵浦激光功率高于光学微腔参量振荡阈值功率，辅助激光功率不小于泵浦激光功率。调整泵浦激光和辅助激光偏振态，将辅助激光和泵浦激光先后耦合进入光学微腔。调整辅助激光相对谐振峰频率的有效频率失谐，使泵浦激光平滑进入微腔红失谐区；扫描泵浦激光的波长，实现克尔光梳孤子锁模；监控克尔光梳的光功率，反馈控制辅助激光波长，长时间稳定克尔光梳孤子锁模状态。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。