一种基于微腔的确定性光孤子频梳产生系统与方法与流程

本发明涉及一种光学频率梳，具体涉及一种基于微环谐振腔的克尔光学频率梳，更具体的涉及一种基于微环谐振腔的孤子态光学频率梳产生系统与方法。

背景技术：

光学频率梳由一系列等间隔并且相位锁定的光学频率组成的梳状光谱。光学频率梳就像是一把拥有精密刻度的尺或定时器，在长度的测量上精确胜过纳米，时间上则胜过飞秒、甚至达到阿秒。因此光学频率梳在光学原子钟、化学探测器、长途通信、激光雷达及超级激光器等领域具有重要的应用价值。光学频率梳主要有三种类型，分别为基于锁模激光器的光学频率梳、基于光电调制技术的光学频率梳和微腔克尔光学频率梳。其中微腔克尔光学频率梳具有较大的频率间隔，因此在多波长光源、光纤通信、天文测量等领域具有独特的优势，同时微腔克尔光学频率梳具有极小的体积和功耗，因此从其出现就展现出巨大的应用价值。

微腔克尔光学频率梳由光学微环谐振腔中的克尔非线性效应产生，需要将连续泵浦光耦合进微环谐振腔。为产生孤子光频梳，要求泵浦光稳定在微环谐振腔谐振峰的红失谐处，而此时泵浦光处于热不稳态，同时微环谐振腔谐振频率随腔内功率而波动，因此需要特殊的实验技术以产生孤子光频梳。目前常采用的实验技术主要由快速扫频法、功率调制法和快速温度调谐法，这三种方法对实验的时序要求极为严格，需要根据环境情况进行调节，并且产生的孤子光频梳状态具有随机性，不适合工程应用。这三种微腔孤子光学频率梳产生技术中，快速扫频法要求使用快速的扫频光源，该类光源体积较大且价格很高，不利用规模工业应用；功率调制法需要在系统中增加高速的功率调制器件，如声光调制器或光电调制器，需要高速控制信号，控制较为复杂；快速温度调谐法需要快速调谐的低噪声电流源，且控制系统复杂。

微腔孤子光学频率梳的状态对于应用极为重要，其中单孤子光学频率梳被认为是最为重要的一种状态。而上文中提到的三种技术方案所产生的频梳状态是随机出现的，并且难以调节，不利于微腔孤子光学频率梳的控制。

为实现确定性的微腔孤子光学频率梳的产生，相关技术人员开发了后向扫频技术，基于此实现了确定性的微腔孤子光学频率梳的产生，为微腔孤子光学频率梳的应用奠定了基础。然而该技术对扫频光源性能的依赖性较强，需要复杂的控制系统，成本极高；同时扫频光源通常具有较高的噪声和较差的频率稳定性，因此产生的光学频率梳性能受到泵浦源的限制。

总之，微腔孤子光学频率梳自产生之日起，就引起了广大科研人员和工程技术人员的极大兴趣，在其产生机理和实验研究中已经取得了较大的进展，并已应用于超大容量光通信系统、孤子频梳测距、微波信号产生、双光梳频谱仪等技术领域，展现出极大的应用前景。因此急需开发一种低成本、高性能并易于操控的微腔孤子光学频率梳产生技术，并且要求该技术能够确定性地产生单孤子光学频率梳。

技术实现要素：

为了降低确定性孤子光学频率梳的产生成本，简化确定性孤子光学频率梳的产生过程，提高孤子光学频率梳的稳定性，本发明提供一种简单易行的基于微腔的确定性光孤子光学频率梳产生系统与方法。

本发明的技术解决方案是提供一种基于微腔的确定性光孤子频梳产生系统，其特殊之处在于：包括泵浦激光系统、辅助激光系统、封装后的微环谐振腔以及温度控制器；

上述封装后的微环谐振腔包括封装壳体及位于封装壳体内部的微环谐振腔与温控装置；

上述封装壳体上设有输入端口与直通端口；

上述泵浦激光系统的输出端接封装后的微环谐振腔的输入端口；

上述辅助激光系统的输出端接封装后的微环谐振腔的直通端口；

上述温度控制器与温控装置连接。

进一步地，上述泵浦激光系统包括沿光路通过光纤依次设置的泵浦激光器、第一偏振控制器、第一光反向阻止器，上述第一光反向阻止器使泵浦光单向进入微环谐振腔；并阻止辅助光及反射光的能量进入反向进入第一光反向阻止器；

上述辅助激光系统包括沿光路通过光纤依次设置的辅助激光器、第二偏振控制器、第二光反向阻止器；上述第二光反向阻止器使辅助光单向进入微环谐振腔；

上述泵浦激光器或辅助激光器波长可以调谐。

泵浦激光从微环谐振腔的输入端口耦合进微环谐振腔，辅助激光从微环谐振腔的直通端口耦合进微环谐振腔。

进一步地，上述温控装置包括半导体制冷器与温度传感器，温度传感器、半导体制冷器、温度控制器形成pid回路，半导体制冷器为商用的半导制冷器，上述温度传感器为负温度系数的热敏电阻或芯片型温度传感器，或其它类型的温度传感器。此时所使用的温度控制器为一个高精度的tec控制器，其温度可以通过手动或程序进行设置。

进一步地，上述温控装置还可以为镀在微环谐振腔表面的金属线加热器，相对应的上述温度控制器为一个具有高调节精度的稳定电流源。

进一步地，上述微环谐振腔为上下话路型微环谐振腔；上述封装壳体上还设有上载端口和下载端口；上述第一光反向阻止器与第二光反向阻止器为光环形器或光隔离器；

当第一光反向阻止器与第二光反向阻止器为光环形器时，上述下载端口或光环形器的第三端口为光孤子频梳输出端口；

当第一光反向阻止器与第二光反向阻止器为光隔离器时所述下载端口为光孤子频梳输出端口，接输出光纤。

进一步地，上述微环谐振腔为也可以全通型微环谐振腔，上述第一光反向阻止器与第二光反向阻止器为光环形器，上述光环形器的第三端口为光孤子频梳输出端口，接输出光纤。

进一步地，上述光环形器为光纤型光环形器，用以阻止激光的反向传输，提升系统的稳定性。

进一步地，当泵浦激光与辅助激光的发射功率不足以在微环谐振腔中激励出光孤子频梳时，上述泵浦激光系统还包括设置于泵浦激光器与第一偏振控制器之间的第一光放大器；上述辅助激光系统还包括设置于第二辅助激光器与偏振控制器之间的第二光放大器。

进一步地，上述的第一光放大器和第二光放大器均为为光纤光放大器或者半导体光放大器，第一光放大器和第二光放大器工作波段覆盖所述泵浦激光器和辅助激光器的发射波长，且第一光放大器和第二光放大器具有在微环谐振腔中激发出光孤子频梳的放大能力。

进一步地，上述的泵浦激光器和辅助激光器都为稳定的窄线宽激光器，在类型上既可以是半导体激光器也可以是光纤激光器，或其它类型的激光器。

进一步地，上述的封装壳体为一个导热性良好的金属壳体，用以将在孤子光频梳产生过程中形成的多余能量散到壳体以外；上述的封装壳体为商用的14引脚蝶形封装壳体，或者(非)标准的其它壳体；

进一步地，上述的第一偏振控制器和第二偏振控制器为光纤型偏振控制器或空间玻片型偏振控制器；用以调节泵浦激光和辅助激光的偏振状态，使之与相应的微环谐振腔谐振模式的偏振态相一致，从而提升与微环谐振腔的耦合效率。

上述微环谐振腔的品质因子大于10⁵，构成微环谐振腔的波导材料具有三阶非线性系数，且微环谐振腔的波导在泵浦激光波段具有负色散系数。

本发明还提供一种基于上述的系统产生确定性光孤子频梳的方法，包括以下步骤：

步骤一：设置泵浦激光器或辅助激光器的发射波长，使泵浦激光和辅助激光可以同时耦合进入微环谐振腔的两个正交基模的谐振峰内，并且当泵浦激光和辅助激光都处于微环谐振腔的蓝失谐处时，辅助激光具有较大的蓝失谐量；

步骤二：调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，使泵浦激光和辅助激光的偏振态与微环谐振腔的两个正交基模的偏振态相一致；

步骤三：调节温度控制器，降低微环谐振腔的工作温度，微环谐振腔的谐振峰向短波长方向漂移，使泵浦激光和辅助激光分别耦合进入微环谐振腔两个正交模式的蓝失谐处，并且辅助激光具有较大的失谐量；

步骤四：调节温度控制器，继续降低微环谐振腔的工作温度，泵浦激光和辅助激光进一步耦合进入微环谐振腔，泵浦激光率先达到光参量振荡阈值，产生新的频率，并且随着温度的降低，进入调制不稳定性频梳状态。

随着微环谐振腔工作温度的降低，泵浦激光器跨过微环谐振腔的谐振峰，进入红失谐处，此时微环谐振腔内的泵浦光功率降低，致使腔内温度下降，谐振峰加速向短波长方向漂移；而腔内辅助光的能量增加，提升了腔内的温度，阻值谐振峰进一步漂移，达到一个稳定状态。此时泵浦光在微腔内产生了孤子态光学频率梳。

步骤五：调节温度控制器，逐渐升高微环谐振腔的工作温度，微环谐振腔内的光孤子数将逐个减少，直至单孤子光学频率梳产生，停止升温。

进一步地，当泵浦激光器和辅助激光器发射功率不足以在微环谐振腔中激励出光孤子频梳时，步骤二中还包括利用第一光放大器与第二光放大器增大泵浦激光器与辅助激光器输出功率的步骤。

本发明的有益效果是：

1、面向超大容量光通信系统、孤子频梳测距、微波信号产生、双光梳频谱仪等领域对高重频微腔孤子光学频率梳的应用需求，针对确定性地产生确定性微腔孤子光学频率梳的技术难题，本发明提供了一种简单易行的确定性孤子微腔孤子光学频率梳产生系统，该系统具有结构简单、稳定可靠、成本低廉并且操控简单。

2、本发明采用辅助光进行腔内热补偿，在微腔孤子频梳产生过程与调谐速率无关，控制过程得到极大地简化。

3、本发明实现微环谐振腔的集成化封装，有利于器件的工程应用。

4、本发明实现了微环孤子光学频率梳的确定性产生，因此该发明对孤子光学频率梳的应用研究具有重要的意义。

5、本发明采用温度调谐的技术方案，温度控制已经得到了充分的实践验证，具有非常高的可靠性，有利于微腔孤子光学频率梳的快速工程化应用。

6、本发明所采用的微环谐振腔由cmos兼容工艺制作，有利于批量化制作。

7、本发明所使用器件都已经商业化，有利于该发明系统的快速普及应用。

附图说明

图1为实施例一提供的一种基于微腔的确定性光孤子频梳产生系统的结构示意图，其中微环谐振腔为上下话路型；

图2为实施例二提供的一种基于微环谐振腔的光孤子频梳确定性产生系统的结构示意图，其中微环谐振腔为全通型；

图3为本发明提供的一种基于微腔的确定性光孤子频梳产生过程中微环谐振腔内泵浦光功率和辅助光功率的变化曲线；

图4a为泵浦光激励出的主梳光谱图；

图4b为泵浦光激励出的主梳频谱图；

图5a为泵浦光激励出的调制不稳定性频梳的光谱图；

图5b为泵浦光激励出的调制不稳定性频梳的频谱图；

图6a为泵浦光激励出的多孤子频梳的光谱图；

图6b为泵浦光激励出的多孤子频梳的频谱图；

图7a为微腔确定性光孤子频梳产生过程产生的单孤子的光谱图；

图7b为微腔确定性光孤子频梳产生过程产生的双孤子的光谱图；

图7c为微腔确定性光孤子频梳产生过程产生的三孤子的光谱图；

图7d为微腔确定性光孤子频梳产生过程产生的四孤子的光谱图；

附图标记如下：

1-泵浦激光系统；11-泵浦激光器；12-第一光放大器；13-第一偏振控制器；14-第一光反向阻止器；2-辅助激光系统；21-辅助激光器；22-第二光放大器；23-第二偏振控制器；24-第二光反向阻止器；3-封装后的微环谐振腔；31-封装壳体；32-半导体制冷器；33-温度传感器；34-微环谐振腔；35-输入端口；36-直通端口；37-上载端口；38-下载端口；39-金属线加热器；4-温度控制器；5-输出光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

实施例一

图1是本实施例一的结构原理示意图，如图所示，本实施例一种基于微环谐振腔的确定性光孤子频梳产生系统由泵浦激光系统1、辅助激光系统2、封装后的微环谐振腔3、温度控制器4以及输出光纤5所构成。其中泵浦激光系统1包括沿光路依次通过光纤连接的泵浦激光器11、第一光放大器12、第一偏振控制器13和第一光反向阻止器14；辅助激光系统2包括辅助激光器21、第二光放大器22、第二偏振控制器23和第二光反向阻止器24；封装后的微环谐振腔3包括封装壳体31及位于封装壳体31内部的半导体制冷器32、温度传感器33与微环谐振腔34；本实施例中微环谐振腔34为上下话路型，包括输入端口35、直通端口36、上载端口37和下载端口38；上述微环谐振腔的端口与光纤或光纤阵列进行耦合连接；此时，第一光反向阻止器14与第二光反向阻止器24可以为光环形器或光隔离器。

上述各光学组件在本实施例中的作用是：

泵浦激光系统1为微腔孤子频梳提供泵浦源，其中泵浦激光器11为种子源，为后续的第一光放大器12提供种子光，该激光器为窄线宽的半导体激光器或光纤激光器；第一光放大器12为高功率的光学放大器，用来放大泵浦激光，使之具有足够的能量在微腔中产生光频梳；第一偏振控制13为光纤型或空间型的偏振控制器，用以控制入射到微环谐振腔内泵浦光的偏振态，使泵浦光高效地耦合进入微环谐振腔的一个模式；光环形器为光纤型环形器，使泵浦光单向进入微环谐振腔，并阻止辅助光及反射光的能量进入第一光放大器12。

辅助激光系统2为微腔孤子频梳的产生提供辅助，用以平衡微腔内的热量，以稳定地产生微腔孤子频梳。其中辅助激光器21为种子源，为后续的第二光放大器22提供种子光，该激光器为窄线宽的半导体激光器或光纤激光器，且其波长可以调谐；第二光放大器22为高功率的光学放大器，用来放大辅助激光，使之具有足够的能量以平衡泵浦光功率波动引起的微腔温度变化；第二偏振控制23为光纤型或空间型的偏振控制器，用以控制入射到微环谐振腔内辅助光的偏振态，使辅助光高效地耦合进入微环谐振腔的一个(与泵浦激光模式)正交的模式；第二光反向阻止器24为光纤型环形器，使辅助光单向进入微环谐振腔，并阻止泵浦光及反射光的能量进入第二光放大器22，并且光环形器的第三个端口用以作为微腔孤子频梳的输出。

封装后的微环谐振腔3为本发明的核心器件，其中微环谐振腔34为一个高品质因子的微环谐振腔，通过微环谐振腔内的非线性效应产生微腔孤子频梳；封装壳体31是微环谐振腔34的载体，用来隔离外界环境的影响，并向壳体内器件产生的能量导出壳体；半导体制冷器32用以控制微环谐振腔34的工作温度；温度传感器33用以探测温度以形成pid回路；输入端口35为泵浦激光的入射端口；直通端口36为辅助激光的入射端口，也是微环谐振腔34内产生频梳的输出端口；当将光环形器替换为光隔离器时，微环谐振腔34内产生频梳的输出端口为下载端口38。温度控制器4用来设定并控制微环谐振腔34的工作温度。

实施例二

该实施例与实施例一不同的是本实施例中微环谐振腔34为全通型，封装后的微环谐振腔3只有输入端口35和直通端口36两个端口。因此，该实施例中光环形器的第三个端口用以作为微腔孤子频梳的输出。且本实施例将实施例一中的半导体制冷器32和温度传感器33由镀在微环谐振腔34表面的金属线加热器39替代，此时温度控制器4为一个具有高调节精度的稳定电流源。

利用上述实施例中的系统通过如下方法产生确定性微腔光孤子频梳：

1、设置辅助激光器21的工作波长，使泵浦激光和辅助激光可以同时耦合进入微环谐振腔34的一对正交谐振模式内，并且当泵浦激光和辅助激光都处于蓝失谐时，辅助激光具有较大的蓝失谐量；

2、设置第一光放大器12与第二光放大器22的输出功率，使泵浦光具有足够的能量在微环谐振腔34内激励出光孤子频梳；调节第一偏振控制器13与第二偏振控制器23的状态，使泵浦激光和辅助激光有效地耦合进入微环谐振腔34；

3、调节温度控制器4使微环谐振腔34的工作温度逐步降低，微环谐振腔34的谐振峰向短波长方向漂移，泵浦激光和辅助激光先后进入微环谐振腔的相应谐振模式；

4、泵浦激光率先达到光参量振荡的阈值，泵浦激光依次在微环谐振腔34内激励出主梳、调制不稳定性梳；

5、继续降低微环谐振腔34的工作温度，泵浦激光首先越过谐振峰进入红失谐，此时微环谐振腔34内的泵浦激光功率降低，微腔温度下降，谐振向短波长方向加速漂移；此时辅助激光处于蓝失谐处，因此微环谐振腔34内的辅助激光功率升高，使微环谐振腔34的腔内温度提升，从而阻止微环谐振腔34谐振峰进一步向短波长方向漂移，微环谐振腔34的工作状态达到一个稳态。此时，泵浦激光处于红失谐处，在微环谐振腔34内激发出孤子频梳。

6、第5步产生的孤子频梳通常处于多孤子态，即微环谐振腔34内同时存在多个孤子。此时调节温度控制器4提升微环谐振腔34的工作温度，微环谐振腔34内的孤子将逐渐消失，直至单孤子频梳产生。

下面结合一个具体示例介绍单孤子频梳的实现过程，实验所使用的微环谐振腔采用高折射率差光子集成平台制作，其自由光谱范围为49ghz，品质因子为1.69×10⁶，波导与光纤的耦合损耗约为3db。

1)、泵浦激光的输出波长为1561.792nm，设置辅助激光2的波长为1558.26nm；

2)、设置第一光放大器12与第二光放大器22的输出功率为35dbm，并调节第一偏振控制器13与第二偏振控制器23到一个合适的状态；

3)、通过温度控制器4逐步降低微环谐振腔34的工作温度，泵浦激光和辅助激光都耦合进入微环谐振腔34的相应谐振模式，并且泵浦激光率先达到光参量振荡的阈值，形成主梳，此时输出的光谱和频谱图如图4a与图4b所示。由于主梳的间隔为多倍微环谐振腔34自由光谱范围，远远超过了光电探测器和频谱仪的工作带宽，因此该频率无法在频谱仪上面显示。

4)、进一步降低微环谐振腔34的工作温度，泵浦激光进一步靠近谐振峰，腔内的泵浦光功率增加，产生了调制不稳定性频梳，其光谱图和频谱图如图5a与图5b所示。此时的频梳处于高噪态。

5)、进一步降低微环谐振腔34的工作温度，直到泵浦激光越过相应的谐振峰达到红失谐处，产生多孤子频梳；此时的光谱和频谱图如图6a与图6b所示。

6)、通过温度控制器4设置微环谐振腔34的工作温度，使之缓慢升高，此时微环谐振腔34内的孤子数逐渐减少，直至单孤子频梳产生，从而实现了单孤子频梳的确定性产生。图7a、图7b、图7c及图7d列举了此过程产生的多种孤子频梳的光谱图，图7a至图7d光谱图对应的孤子数分别为1个、2个、3个和4个。

在单孤子频梳产生过程中，微环谐振腔34内的泵浦激光和辅助激光的功率变化曲线如图3所示。该曲线表现出台阶式跳变，表明微环谐振腔34内孤子数在逐渐减少。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明提供了一种微腔光孤子频梳确定性产生系统与方法，该系统采用简单的温度调节方式，解决了以往产生确定性孤子频梳对快速调谐激光器或高速光电器件的依赖，本发明具有结构简单、可操控性强、稳定可靠等优点，在未来微波光子学、光谱测量技术、高精度快速测距、超高速光通信系统及多波长光源等多个技术领域具有重要的应用前景。