孤子光频梳产生装置及操作方法与流程

本发明涉及光学频率梳，特别是一种光频梳产生装置及操作方法。

背景技术：

光学频率梳(简称光频梳)是一种在频谱上具有一系列等间隔、离散分布的频率分量的激光光源。由于光频梳各梳线间有精确的频率间隔、确定的相位关系以及宽频谱范围，其在原子钟、微量气体探测、光波形合成、密集波分复用等系统中都有重要的应用需求。

早期的光频梳产生方案是基于激光器锁模技术，但是其受限于系统功耗高、体积大、重复频率低等问题，应用场景受限于实验室中。近十年来，利用高q值微腔和高非线性光纤产生光频梳成为一个非常活跃的研究领域。这种光频梳的产生方法是依赖于非线性腔内发生级联的四波混频效应，可以在频谱上产生上百根频率梳线，其具有高集成度、高泵浦转换效率、高重复频率以及系统复杂度低的特点，并且频谱范围可以覆盖到可见光、通信光以及红外光等波段，进一步拓展了光频梳的应用范围。

已报道的基于非线性光学谐振腔的光频梳产生方案主要有以下几种：

方法1：基于光纤环形腔的方案。光纤环形腔激光器的腔长通常较长，因此产生的频率梳间隔较窄(<1ghz)。此外，腔内通常需要加入增益介质，增加了系统的功耗。因此该方案集成度低，功耗高，且系统结构复杂。

方法2：基于高非线性光纤的方案。该方案利用光纤谐振腔中的参量振荡和受激布里渊散射效应形成具有两种间隔频率的光频梳。该方案虽然结构紧凑，但是无法形成孤子光频梳，应用场景受限。

方法3：基于微环谐振腔、微球谐振腔、微盘谐振腔以及回音壁模式谐振腔的方案。这些方案利用微加工工艺，加工得到高q值、芯片尺寸的谐振腔，仅需要较低的泵浦功率就能引起参量振荡，并且重复频率可以达到thz量级。这些微腔结构的孤子光频梳产生方法类似，需要腔外可调激光器在微腔谐振峰附近扫频，经历过“蓝调谐”到“红调谐”的连续调谐后，谐振腔逐渐稳定到孤子锁模状态。但是，由于热光效应以及泵浦激光器噪声的影响，实验的调谐过程非常复杂，无法获得确定的单孤子状态。此外，这些微腔需要精细的耦合工艺进行泵浦光的注入和光频梳的引出，进一步增加了实验的复杂度。

方法4：基于相位/强度调制器以及微谐振腔的方案。通过对泵浦光进行相位/强度调制，能够将微腔从噪声状态转换至单孤子状态。此方案的实验结果取决于调制信号的扫频速度和调制深度，此外实验结果同样会受到热光效应的影响。

总之，以上的几种方法或者受限于热光效应的影响或者受限于腔外泵浦激光器扫频速度的制约，产生孤子光频梳的实验结果的重复性差，无法通过程序控制自动产生单孤子状态的光频梳。因此，需要一种高性能的孤子光频梳产生方案，能够降低实验操作的复杂度，并消除热光效应以及泵浦光频率调谐速度对实验结果产生的不确定性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供了一种孤子光频梳产生装置及操作方法。该装置采用单层石墨烯以及fp微腔结构，能够产生频率梳间隔为10ghz的单孤子光频梳，其中单层石墨烯作为超快饱和吸收体在腔内协助脉冲的稳定并抑制噪声的扰动。该装置产生的单孤子光频梳实验结果重复性好，且不需要腔外泵浦光源的频率调谐过程。此外，该装置产生的孤子光谱梳对泵浦脉冲光源的频率/时间抖动有很强的鲁棒性和稳定性。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种孤子光频梳产生装置，其特点在于包括：可调脉冲光激光器、第一连接光纤、光放大器、第二连接光纤、偏振控制器、第三连接光纤、第一环形器、辅助测试输出光纤、第四连接光纤、陶瓷插芯微腔、单层石墨烯、输出光纤、第一c型陶瓷管和第二c型陶瓷管，沿所述的可调脉冲激光器的激光输出方向依次是所述的第一连接光纤、光放大器、第二连接光纤、偏振控制器、第三连接光纤、第一环形器的输入端口、第一环形器的双向端口、第四连接光纤、陶瓷插芯微腔、单层石墨烯、输出光纤，同时所述的陶瓷插芯微腔中的一部分光信号会从第四连接光纤输出，经过第一环形器的双向端口、第一环形器的输出端口，从辅助测试输出光纤输出；

所述的可调脉冲光激光器包括可调连续光激光器、第五连接光纤、强度调制器、第六连接光纤、相位调制器、第七连接光纤、第二环形器、第八连接光纤、啁啾布拉格光纤光栅、可调连续光激光器电学接口、强度调制器电学接口、相位调制器电学接口和控制模块，沿所述的可调连续光激光器的激光输出方向依次是所述的第五连接光纤、强度调制器、第六连接光纤、相位调制器、第七连接光纤、第二环形器的输入端口、第二环形器的双向端口、第八连接光纤、啁啾布拉格光纤光栅，光信号被所述的啁啾布拉格光纤光栅反射后，通过第二环形器的双向端口、第二环形器的输出端口，进入第一连接光纤，所述的控制模块分别与所述的可调连续光激光器电学接口、强度调制器电学接口和相位调制器电学接口相连；

所述的第一环形器和第二环形器是三端口器件，包含输入端口、双向端口和输出端口，从输入端口输入的光信号从双向端口输出，从双向端口输入的光信号从输出端口输出，从输出端口输入的光信号被阻挡无输出；

所述的陶瓷插芯微腔是一段嵌入在圆柱形陶瓷插芯内的单模光纤，光纤通过环氧树脂胶与陶瓷插芯固定，光纤的放置方向与陶瓷插芯的中心线重合，并在两个端面进行抛光，一端镀有增透膜，另一端镀有高反膜，镀有高反膜的一端与第四连接光纤相连，镀有增透膜的一端与所述的单层石墨烯相连，所述的单层石墨烯夹持在输出光纤与陶瓷插芯微腔之间；

所述的第四连接光纤和输出光纤在与陶瓷插芯微腔相连的一侧的光纤接头具有与陶瓷插芯微腔外部的陶瓷插芯相同的直径，并通过第一c型陶瓷管和第二c型陶瓷管固定，且第四连接光纤、陶瓷插芯微腔和输出光纤共光轴。

所述的可调连续光激光器是iii-v族半导体的激光器，激光器的输出波长的调节范围为1520～1600nm。

所述的可调连续光激光器、第一连接光纤、光放大器、第二连接光纤、偏振控制器、第三连接光纤、第一环形器、辅助测试输出光纤、第四连接光纤、输出光纤、第五连接光纤、强度调制器、第六连接光纤、相位调制器、第七连接光纤、第二环形器、第八连接光纤、啁啾布拉格光纤光栅均工作在单模模式，都工作在单模横电(te)模式，或都工作在单模横磁(tm)模式，器件的工作波长相互匹配。

所述的强度调制器为铌酸锂马赫曾德尔调制器，工作在推挽模式，且偏置于正交工作点。

所述的相位调制器为铌酸锂调制器。

上述孤子光频梳产生装置的操作方法，该方法包括以下步骤：

1)所述的控制模块将10ghz的调制频率分别调制所述的强度调制器和相位调制器，所述的强度调制器的偏置点设定在正交偏置点，调制后的光信号经过啁啾布拉格光纤光栅的压缩后，产生具有皮秒宽度的光脉冲；

2)调节所述的光放大器，为陶瓷插芯微腔产生孤子光频梳提供足够强的泵浦光信号，所述的第一环形器确保所述的陶瓷插芯微腔的高反膜反射的泵浦光从第一环形器的输出端口输出，保证反射光不进入光放大器，从而保证光放大器的稳定工作；

3)调节所述的偏振控制器，使得输入陶瓷插芯微腔的泵浦光是线偏振光；

4)通过所述的控制模块调节所述的可调连续光激光器，在陶瓷插芯微腔谐振频率附近进行“蓝失谐”到“红失谐”的连续调谐，即可调连续激光器的输出频率从大于陶瓷插芯微腔谐振频率的值调到小于谐振频率的值，在所述的单层石墨烯产生的饱和吸收特性和腔内四波混频等非线性机制的共同作用下，所述的陶瓷插芯微腔内的光信号在不同的频率失谐量下能够形成不同状态的孤子光频梳，且调谐结果具有确定性；通过记录不同孤子状态的频率失谐量范围，得到陶瓷插芯微腔内的光信号的孤子光频梳状态与可调连续光激光器不同输出频率之间的对应关系；

5)根据步骤4)的光信号的孤子光频梳状态与可调连续光激光器不同输出频率之间的对应关系，调节所述的可调连续光激光器的频率，得到确定状态的孤子光频梳输出。

本发明能够在不进行频率调谐的情况下形成孤子光频梳的原理是采用单层石墨烯的饱和吸收特性，形成脉冲成形机制代替频率调谐过程产生的腔内功率稳定机制，帮助微腔形成稳定的孤子光频梳。当腔外的泵浦光源频率固定在适当的失谐量下，微腔会逐渐聚集能量，在非线性效应的作用下产生各频率分量的谱线，从而进入不稳定状态。由于单层石墨烯在陶瓷插芯微腔内部的引入，超快饱和吸收效应能够帮助抑制腔内的噪声扰动并稳定腔内脉冲，因此腔内功率会迅速从不稳定状态进入失谐量对应的孤子锁模状态。本发明孤子光频梳的稳定是基于泵浦光增益与腔内损耗、饱和吸收特性的平衡以及腔内非线性效应与色散的平衡。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明只需在第一次实验时，利用腔外输入光频率的扫描来确定不同输入光频率与最终形成的孤子光频梳不同状态的对应关系，在以后的实验中，只需直接输入固定频率的光信号，就能够直接产生所需状态的孤子光频梳，不再需要光频率扫描，因此实验结果不会受到频率调谐速度的影响，且实验操作的复杂度也大大降低。

此外，由于本发明装置在光频梳的产生过程中，腔内的能量变化比频率调谐方案小很多，因此热扰动对本装置的影响也较小。相比于背景技术中的方法1(基于光纤环形腔的方案)，本发明的集成度更高，重复频率更高(10ghz)，且功耗更小。相比于背景技术中的方法2(基于高非线性光纤的方案)，本发明能够形成孤子光频梳，应用场景更广。相比与背景技术中的方法3(基于不同结构的微谐振腔的方案)，本发明可以在合适的固定频率失谐量下形成孤子光频梳，耦合过程更简单且实验重复性好。相比于背景技术的方法4(基于相位/强度调制器以及微谐振腔的方案)，本发明实验结果不受频率调谐速度的影响，且受热光效应的影响较小。

本发明装置能在不调谐泵浦激光器频率的条件下输出孤子光频梳，重复频率为10ghz，具有高集成度、低功耗、操作简便、输出结果可重复性好的特点。

附图说明

图1是本发明孤子光频梳产生装置的结构图。

图中：1-可调脉冲光激光器，2-第一连接光纤，3-光放大器，4-第二连接光纤，5-偏振控制器，6-第三连接光纤，7-第一环形器，8-辅助测试输出光纤，9-第四连接光纤，10-陶瓷插芯微腔，11-单层石墨烯，12-输出光纤，100-第一c型陶瓷管，101-第二c型陶瓷管。

图2是本发明可调脉冲光激光器1的结构图。

图中：2-第一连接光纤，13-可调连续光激光器，14-第五连接光纤，15-强度调制器，16-第六连接光纤，17-相位调制器，18-第七连接光纤，19-第二环形器，20-第八连接光纤，21-啁啾布拉格光纤光栅，22-控制模块，23-相位调制器电学接口，24-强度调制器电学接口，25-可调连续光激光器电学接口。

图3是可调脉冲光光源在陶瓷插芯微腔谐振峰附近扫频时仿真计算的腔内时域信号演化图。插入图是对应的腔内能量随频率失谐量的变化图。

图4是可调脉冲光光源的频率固定在陶瓷插芯微谐振峰红移100mhz时的仿真图，对应频率失谐量为0.01。(a)形成单孤子频率梳的时域图，(b)形成单孤子频率梳的频谱图，(c)在形成单孤子频率梳过程中的腔内能量演化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明孤子光频梳产生装置的结构图，由图可见，本发明孤子光频梳产生装置，包括：可调脉冲光激光器1、第一连接光纤2、光放大器3、第二连接光纤4、偏振控制器5、第三连接光纤6、第一环形器7、辅助测试输出光纤8、第四连接光纤9、陶瓷插芯微腔10、单层石墨烯11、输出光纤12、第一c型陶瓷管100和第二c型陶瓷管101，沿所述的可调脉冲激光器1的激光输出方向依次是所述的第一连接光纤2、光放大器3、第二连接光纤4、偏振控制器5、第三连接光纤6、第一环形器7的输入端口、第一环形器的双向端口、第四连接光纤9、陶瓷插芯微腔10、单层石墨烯11、输出光纤12，同时所述的陶瓷插芯微腔10中的一部分光信号会从第四连接光纤9输出，经过第一环形器7的双向端口、第一环形器7的输出端口，从辅助测试输出光纤8输出；

所述的可调脉冲光激光器1包括可调连续光激光器13、第五连接光纤14、强度调制器15、第六连接光纤16、相位调制器17、第七连接光纤18、第二环形器19、第八连接光纤20、啁啾布拉格光纤光栅21、可调连续光激光器电学接口25、强度调制器电学接口24、相位调制器电学接口23和控制模块22，沿所述的可调连续光激光器1的激光输出方向依次是所述的第五连接光纤14、强度调制器15、第六连接光纤16、相位调制器17、第七连接光纤18、第二环形器19的输入端口、第二环形器的双向端口、第八连接光纤20、啁啾布拉格光纤光栅21，光信号被所述的啁啾布拉格光纤光栅21反射后，通过第二环形器19的双向端口、第二环形器19的输出端口，进入第一连接光纤2，所述的控制模块22分别与所述的可调连续光激光器电学接口25、强度调制器电学接口24和相位调制器电学接口23相连；

所述的第一环形器7和第二环形器19是三端口器件，包含输入端口、双向端口和输出端口，从输入端口输入的光信号从双向端口输出，从双向端口输入的光信号从输出端口输出，从输出端口输入的光信号被阻挡无输出；

所述的陶瓷插芯微腔10是一段嵌入在圆柱形陶瓷插芯内的单模光纤，光纤通过环氧树脂胶与陶瓷插芯固定，光纤的放置方向与陶瓷插芯的中心线重合，并在两个端面进行抛光，一端镀有增透膜，另一端镀有高反膜，镀有高反膜的一端与第四连接光纤9相连，镀有增透膜的一端与所述的单层石墨烯11相连，所述的单层石墨烯11夹持在输出光纤12与陶瓷插芯微腔10之间；

所述的第四连接光纤9和输出光纤12在与陶瓷插芯微腔10相连的一侧的光纤接头具有与陶瓷插芯微腔10外部的陶瓷插芯相同的直径，并通过第一c型陶瓷管100和第二c型陶瓷管101固定，且第四连接光纤11、陶瓷插芯微腔10和输出光纤12共光轴。

优选的，光放大器3采用商用的高功率掺铒光纤放大器，光纤类型为单模光纤，工作波段为c波段，最大输出功率为10w。

所述的陶瓷插芯微腔10是一段嵌入在圆柱形陶瓷插芯内的单模光纤，光纤通过环氧树脂胶与陶瓷插芯固定，光纤的放置方向与陶瓷插芯的中心线重合，并在两个端面进行抛光。陶瓷插芯微腔的腔长为1.03cm，对应的自由频谱范围为10ghz，其一端镀有99.99％的增透膜，另一端镀有99.99％的高反膜，工作中心波长1560nm，带宽>100nm。镀有99.99％高反膜的一端与第四连接光纤9相连，镀有99.99％增透膜的一端与单层石墨烯11相连。

所述的第四连接光纤9在连接陶瓷插芯微腔的一端镀有透射率为99.99％的增透膜，工作中心波长1560nm，带宽>100nm。

所述的输出光纤12在连接单层石墨烯11的一端镀有反射率99.99％的高反膜，工作中心波长1560nm，带宽>100nm。单层石墨烯11夹持在输出光纤12与陶瓷插芯微腔10中间。

所述的单层石墨烯11的非饱和吸收为1％，线性吸收为2.3％，饱和吸收强度为100mw/cm²。单层石墨烯11通过机械剥离的方法制备，并通过机械接触的方法转移到陶瓷插芯微腔具有增透膜的一侧端面上。

所述的第四连接光纤9和输出光纤12在与陶瓷插芯微腔10相连的一侧的光纤接头具有与陶瓷插芯微腔外部的陶瓷插芯相同的直径，并通过两个中空的c型陶瓷管100和101固定，且第四连接光纤9、陶瓷插芯微腔10和输出光纤12的光纤中心对准。

图2是本发明装置所用的可调脉冲光激光器1的的结构图，由图可见，所述的可调脉冲光激光器1包括可调连续光激光器13、第五连接光纤14、强度调制器15、第六连接光纤16、相位调制器17、第七连接光纤18、第二环形器19、第八连接光纤20、啁啾布拉格光纤光栅21、控制模块22、相位调制器电学接口23、强度调制器电学接口24和可调连续光激光器电学接口25。沿可调连续光激光器13的输出方向，光信号依次经过所述的第五连接光纤14、强度调制器15、第六连接光纤16、相位调制器17、第七连接光纤18、第二环形器19的输入端口、第二环形器19的双向端口、第八连接光纤20和啁啾布拉格光纤光栅21。随后光信号被啁啾布拉格光纤光栅21反射，通过第二环形器19的双向端口、第二环形器19的输出端口，进入第一连接光纤2。所述的控制模块22分别与所述的相位调制器电学接口23、强度调制器电学接口24和可调连续光激光器电学接口25相连。

所述的可调连续光激光器13是iii-v族半导体的激光器，激光器的输出波长的调节范围在1520-1600nm。

所述的可调连续光激光器13、第一连接光纤2、光放大器3、第二连接光纤4、偏振控制器5、第三连接光纤6、第一环形器7、辅助测试输出光纤8、第四连接光纤9、输出光纤12、第五连接光纤14、强度调制器15、第六连接光纤16、相位调制器17、第七连接光纤18、第二环形器19、第八连接光纤20、啁啾布拉格光纤光栅21均工作在单模模式，都工作在单模横电(te)模式，或都工作在单模横磁(tm)模式，器件的工作波长相互匹配。

优选的，上述器件都工作在单模te模式。

所述的强度调制器15和相位调制器17为铌酸锂调制器，利用铌酸锂晶体的电光效应实现电光调制，并采用行波电极以保证宽带高频信号的高效调制。其中，强度调制器15采用马赫增德尔结构，工作在推挽模式，且偏置于正交偏置点，可实现线性调制。通过改变强度调制器的调制频率可以控制脉冲光激光光源的重复频率。相位调制器17不需要加载偏置电压，调制光信号经过相位调制器17后引入了强啁啾，经过啁啾布拉格光纤光栅21的反射后能够将调制的啁啾信号压缩成皮秒光脉冲。

所述的第一环形器7和第二环形器19是三端口器件，包含输入端口、双向端口和输出端口。从输入端口输入的光信号从双向端口输出，从双向端口输入的光信号从输出端口输出，从输出端口输入的光信号被阻挡无输出。

上述孤子光频梳及脉冲源产生装置的操作方法，包括以下步骤：

1)所述的控制模块22将10ghz的调制频率分别调制到强度调制器15和相位调制器17。强度调制器15偏置点设定在线性偏置点。调制后的光信号经过啁啾布拉格光纤光栅21的压缩后，产生具有皮秒宽度的光脉冲。

2)调节所述的光放大器3，为陶瓷插芯微腔10产生孤子光频梳提供足够强的泵浦光信号。第一环形器7能确保陶瓷插芯微腔10高反膜反射的泵浦光从第一环形器7的输出端口输出，保证反射光不能进入光放大器3，从而保证光放大器3的稳定工作。

3)调节所述的偏振控制器5，使得输入陶瓷插芯微腔10的泵浦光是线偏振。

4)通过控制模块22调节所述的可调连续光激光器13，在陶瓷插芯微腔谐振频率附近进行蓝失谐到红失谐的连续调谐，即可调连续激光器13的输出频率从大于陶瓷插芯微腔谐振频率的值调到小于谐振频率的值。在单层石墨烯11产生的饱和吸收特性和腔内四波混频等非线性机制的共同作用下，陶瓷插芯微腔10内的光信号在不同的频率失谐量下能够形成不同状态的孤子光频梳，且调谐结果具有确定性。通过记录不同孤子状态的频率失谐量范围，即可得到陶瓷插芯微腔10内的光信号的孤子光频梳状态与可调连续光激光器13不同输出频率之间的对应关系。

5)根据步骤4)的光信号的孤子光频梳状态与可调连续光激光器不同输出频率之间的对应关系调节所述的可调连续光激光器1的频率，得到确定状态的孤子光频梳输出。

优选实施例

本优选实施例中，可调脉冲光激光器1输出重复频率10ghz的脉冲光信号，经过光放大器2的放大后脉冲光的峰值功率为150w，脉冲宽度为1.5ps。陶瓷插芯微腔10的一个谐振峰波长在1560nm位置，为了确定谐振腔孤子光频梳的频率存在范围，可调连续光激光器13在谐振峰蓝移20mhz(对应失谐量为-0.002，失谐量的定义为微环谐振峰频率与入射激光频率的频率差值与自由频谱范围的比值)至红移160mhz(对应失谐量为0.016)的范围内连续调谐频率。

图3给出了上述优选实施例中，输出光纤12输出的腔内时域信号演化图和腔内能量变化图。由时域信号演化图中可以看出，随着失谐量的连续调谐，腔内光场时域信号逐渐演化至单孤子脉冲状态，单孤子光频梳对应的失谐量范围0.0095-0.0118。腔内能量变化曲线具有三个非常明显的孤子台阶特征，分别对应于演化图中的三孤子状态，二孤子状态和单孤子状态。

本发明的优选实施例中，将可调连续光激光器13的频率固定在陶瓷插芯微谐振峰红移100mhz位置(对应失谐量为0.01)，进行单孤子光频梳的演化实验。

图4给出了上述优选实施例中，输出光纤12输出的单孤子频率梳的时域图、频域图以及在形成单孤子频率梳过程中的腔内能量变化图。从时域图、频域图中可以看出，在腔内非线性效应的作用下，在泵浦脉冲的基底上产生了超短的孤子脉冲，其频谱具有光滑的正割函数型曲线特征。从腔内能量演化图中可以看出，腔内光场经过4200个腔内循环的演化后，腔内能量逐渐稳定至单孤子状态。

图3、图4的实验结果说明本发明只需在第一次实验时确定不同输入光频率与最终形成的孤子光频梳不同状态的对应关系，在以后的实验中，只需直接输入固定频率的光信号，就能够直接产生所需状态的孤子光频梳。

实验表明，本发明在不调谐泵浦激光器频率的条件下能产生频率梳间隔为10ghz的单孤子光频梳，具有高集成度、低功耗、操作简便和输出结果可重复性好的特点。