基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光频梳产生系统(装置)和方法，具体涉及一种基于非线性微环谐振腔的克尔光频梳产生系统(装置)和方法，能够产生频率间隔可调的光频梳。
【背景技术】
[0002]光频梳是一种离散的、等频率间距的梳子形状的光谱。光频梳就像一把“光尺”，可用来对光学频率进行极其精密的测量，使得时间标准从微波向光学范畴转变，且其精确度可以提高四个数量级以上。此外，光频梳在精确光学计量、光通信系统、任意光波形发生器、光学原子钟、传感系统及光子信号处理方面有着极为重要的应用。
[0003]传统上光频梳由超短脉冲锁模激光器产生，锁模脉冲的频谱彼此间的间隔与激光器的重复频率精确相等，然而其频率间隔受限于锁模激光器的腔长，通常小于10GHz。采用光调制技术可以产生频率间隔大于10GHz的光频梳，然而其频率间隔受限于光电调制器和射频信号发生器，且随着频率的提升，其成本将极剧的增长，不利于规模应用。而基于微环谐振腔的克尔光频梳在高重频光频梳方面具有先天性优势，正好弥补了传统光频梳技术的不足。同时，基于微环谐振腔的克尔光频梳符合现代光学技术向小型化与集成化发展的趋势，具有极为广泛的应用前景。目前关于克尔光频梳的研究已经取得了许多突破性进展，基于1%?2、5丨02^故、5丨1510&?2等各种光子集成平台的高糾直微腔的光频梳产生系统已有报道。
[0004]基于光学微环谐振腔的克尔光频梳的产生通常采用外部谐振注入栗浦光实现，由于微环谐振腔的谐振波长会随温度的变化而变化，因此通常需要进行温度控制，直到栗浦光频率与谐振腔的谐振波长相一致。然而环境温度的慢变化或栗浦光功率的波动将使栗浦光的耦合效率下降，从而产生自终止现象。对于上传/下载型的微环谐振腔，可以采用自锁定的技术方案来解决自终止问题:自锁定技术通过将微环谐振腔嵌入一个增益光学振荡腔中，结合增益腔内的带通滤波器件，选择一个谐振波长作为激光器的发射波长，通过增大腔增益，所选定的发射波长将形成激光发射;进一步增大腔内增益，一旦微环谐振腔内的光功率达到光参量振荡的阈值，将在腔内产生频率间隔为微环谐振腔自由光谱范围的光频梳。自锁定技术的栗浦光由自身的振荡产生，对外部的环境温度与振动具有自反馈调节的能力，具备很好的稳定性，适合实际应用。一般情况下，微环谐振腔光频梳的频率间隔与谐振腔的自由光谱范围相一致，为得到多自由光谱范围的光频梳，栗浦光与谐振腔的失谐耦合与双微环结构方案已有报道，但其频率间隔调节范围只有几个自由光谱范围，同时其调节比较复杂，稳定性差。
【发明内容】
[0005]针对现有基于微环谐振腔的外部谐振注入栗浦光光频梳产生系统稳定性差，且其频率间隔固定或者仅在几个自由光谱范围内可调的弊端，本发明提供了一种可调频率间隔的光频梳产生系统和方法，其产生的光频梳的频率间隔能够以微环谐振腔自由光谱范围的整数倍自由调节，且系统不会因外部温度变化、振动及栗浦功率波动影响而出现自终止现象，具有结构简单、稳定可靠、无需外部环境控制等特点。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统，包括光隔离器、偏振控制器和上传/下载型微环谐振腔;其特殊之处在于:还包括可调双波长滤波器、光学放大器和光分束器。所述光学放大器、光隔离器、偏振控制器、上传/下载型微环谐振腔、光分束器以及可调双波长滤波器由单模光纤串联形成闭合的光纤环形腔;光分束器的一个输出端作为系统的输出端口，在该输出端口接有光谱仪便于监测系统所产生的光频梳信号;沿光纤环形腔内激光信号的传播路径来看，光分束器须位于上传/下载型微环谐振腔之后，即激光信号先经过上传/下载型微环谐振腔，再经过光分束器;而对其余光学组件的前后位置没有特殊的要求。
[0008]上述光学放大器为高增益的光学放大器，为光频梳的产生提供增益。
[0009]上述光隔离器用于保证激光信号在光纤环形腔内单向传输，以形成单向的激光振荡输出。
[0010]上述偏振控制器用于调整光纤环形腔内激光信号的偏振状态(即使光纤环形腔内的光波为单偏振态)，使入射到上传/下载型微环谐振腔的激光信号的偏振状态与上传/下载型微环谐振腔的TE模式或TM模式一致。
[0011]上述上传/下载型微环谐振腔具有双重作用，首先作为窄线宽梳状滤波器，与可调双波长滤波器一起选择系统的初始激光发射波长;其次作为非线性介质，产生级联四波混频效应，获得光频梳信号，并将光频梳信号输出至光分束器。
[0012]上述光分束器用于从上传/下载型微环谐振腔输出的光频梳信号中提取一部分能量作为整个系统的输出。
[0013]上述可调双波长滤波器与上传/下载型微环谐振腔共同选择初始的两个谐振波长作为产生光频梳的栗浦光的波长，同时用于调节两个初始谐振波长的间隔，从而调节光频梳的频率间隔。
[0014]基于上述基本技术方案，本发明还可作出如下优化:
[0015]上述光学放大器、光隔离器、偏振控制器、上传/下载型微环谐振腔、光分束器以及可调双波长滤波器由单模光纤依次串联形成闭合的光纤环形腔。
[0016]上述可调双波长滤波器具有两个可调的通带，且通带的中心波长、带宽及强度均可调节；其中，中心波长和带宽的调节用以保证有且只有两个波长的光波可以形成栗浦激光，强度调节用以均衡所形成的两个栗浦激光的强度，可通过调节通带波长来调节光频梳的频率间隔。
[0017]上述光学放大器可采用掺饵光学放大器或者高增益的半导体光放大器。
[0018]上述光学放大器也可由栗浦激光器、第一波分复用器、掺饵光纤和第二波分复用器通过单模光纤依次串联组成。
[0019]上述栗浦激光器可以有两个，分别与第一波分复用器和第二波分复用器相连。
[0020]上述偏振控制器有2个，其中第一偏振控制器位于光隔离器与上传/下载型微环谐振腔之间，第二偏振器位于多波长滤波器与光分束器之间。
[0021]上述光学放大器具有大于20dB的增益系数，同时其饱和输出功率大于lOOmW。
[0022]上述上传/下载型微环谐振腔具有高品质因子Q>105;上传/下载型微环谐振腔具有Input、Thr0ugh、Dr0p和Add四个端口，且其所采用的波导材料具有多倍于S12的非线性系数和负色散系数。
[0023]上述上传/下载型微环谐振腔具有高品质因子Q>105，以具备很强的光场增强能力。
[0024]本发明还提供了一种采用上述基于微环谐振腔的可调频率间隔的光频梳产生系统产生光频梳的方法，其特殊之处在于:包括以下步骤:
[0025]⑴设置可调双波长滤波器的中心波长和通带带宽，使可调双波长滤波器的两个通带的中心波长的间隔为上传/下载型微环谐振腔的自由光谱范围的M倍(M为整数)，每个通带的带宽为单个微环谐振腔自由光谱范围，从而选择出两个波长作为产生光频梳的两个栗浦光的波长；
[0026]⑵增加光学放大器的增益，由步骤(I)选定的两个波长的增益大于腔损时，形成双波长激光。
[0027]⑶调节偏振控制器，使上传/下载型微环谐振腔的一个模式振荡激射(TE模式或TM模式)，而另一个模式得到抑制；
[0028]⑷继续增加光学放大器的增益，在上传/下载型微环谐振腔中将产生级联四波混频效应，从而形成光频梳，并且光频梳的带宽或光谱线数量可随两个栗浦激光器栗浦功率的增加而增大；当栗浦功率增大到微环内光参量振荡的阈值，光参量振荡现象将产生，在输出端监控的光谱仪上可以看到，在栗浦光附近产生单倍微环谐振腔自由光谱范围的光频梳。
[0029]本发明的有益效果是:
[0030]1、光频梳的频率间隔自由可调
[0031]本发明采用可调双波长滤波器与上传/下载型微环谐振腔相结合的双栗浦技术，相对与传统单栗浦技术方案，无明显的阈值现象，可在较低栗浦功率下产生光频梳，并且产生的光频梳频率间隔能以微环谐振