基于集成频梳与时域相位调控的片上飞秒脉冲产生装置及方法

本发明涉及集成光子学与超快光学交叉，具体涉及一种基于集成频梳与时域相位调控的片上飞秒脉冲产生装置及方法。

背景技术：

1、超短飞秒脉冲是精密测量、光通信、量子信息及超快光谱等领域的核心光源。传统实现方案主要包括：

2、1.锁模激光器：依赖精密光学谐振腔与机械调谐机构，体积庞大、重频固定、调谐困难，难以片上集成；

3、2.微腔克尔光频梳：基于三阶非线性效应，虽可集成，但转换效率低、单梳线功率弱、相位噪声高，且受限于微腔自由光谱范围与热失谐效应；

4、3.电光调制合成方案：利用射频驱动强度/相位调制器产生频梳或脉冲，但需复杂微波源、偏置控制与相位锁定，系统功耗高、体积大，且调制非线性易引入相位失真。

5、时间相关相位调制技术通过在时域引入相位调制，可实现时间-频率域的类傅里叶变换，理论上可将纳秒级脉冲压缩至飞秒量级。然而，现有相位调制系统多采用分立光学器件搭建，存在三大瓶颈：1)、驱动射频信号与色散元件的匹配关系依赖人工标定，环境或器件漂移易导致匹配失配，引发脉冲展宽、旁瓣升高、脉宽稳定性劣化；2)、多采用分立器件搭建，集成度低、体积大、功耗高，长期运行稳定性难以保障；3)、相位曲率与色散补偿量之间缺乏实时闭环补偿机制，无法抑制漂移扰动，难以维持脉冲输出的一致性与可靠性。如何将相位调制、线性放大与自适应色散稳定控制深度融合，在全片上集成前提下实现宽范围、高保真、变换极限的飞秒脉冲动态输出，仍是集成超快光源领域的技术空白。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于集成频梳与时域相位调控的片上飞秒脉冲产生装置及方法。

2、本发明公开了一种基于集成频梳与时域相位调控的片上飞秒脉冲产生装置，包括沿光信号传播方向依次通过片上光波导耦合连接的光源模块、soa强度调制模块、时间相关相位调制模块、色散补偿与脉冲压缩单元以及输出耦合接口；还包括自适应控制单元，所述自适应控制单元分别与所述时间相关相位调制模块、所述色散补偿与脉冲压缩单元电连接，且所述自适应控制单元的反馈采集端耦合至所述输出耦合接口的输出光路；

3、所述自适应控制单元用于实时采集输出脉冲的脉宽与光谱特征数据，同步调节所述时间相关相位调制模块的相位曲率系数与所述色散补偿与脉冲压缩单元的色散量，维持色散量与相位曲率系数满足的傅里叶变换极限匹配关系，输出稳定的变换极限飞秒脉冲序列。

4、作为本发明的进一步改进，所述光源模块包括rsoa有源增益单元与非线性微环谐振模块，所述rsoa有源增益单元与所述非线性微环谐振模块通过片上光波导耦合并构成外腔谐振光路；

5、所述rsoa有源增益单元用于在电注入条件下提供宽带光学增益，输出稳定单波长泵浦光；所述非线性微环谐振模块基于三阶克尔非线性效应激发四波混频过程，生成等间隔多纵模原始光频梳。

6、作为本发明的进一步改进，所述光源模块还包括片上滤波模块，所述片上滤波模块通过片上光波导耦合于所述非线性微环谐振模块的输出端，用于对原始光频梳的各梳齿进行差异化衰减与功率均衡，输出光谱平坦度优于3db的平坦光频梳。

7、作为本发明的进一步改进，所述soa强度调制模块配置脉冲驱动端口，用于通过输入周期性电驱动信号对平坦光频梳进行时域强度调制，切割形成具有固定重复频率的光脉冲序列，并同步对光脉冲进行线性放大。

8、作为本发明的进一步改进，所述时间相关相位调制模块包括电光相位调制器与脉冲驱动电路；所述脉冲驱动电路输出带有预失真补偿的抛物线包络电信号，对光脉冲施加二次时域相位，在光脉冲中引入线性频率啁啾。

9、作为本发明的进一步改进，所述色散补偿与脉冲压缩单元采用片上啁啾布拉格光栅结构，设置有色散调谐接口，可提供-5ps2至-50ps2的可调负群延迟色散，用于对携带线性啁啾的光脉冲进行时域聚焦压缩。

10、作为本发明的进一步改进，所述自适应控制单元包括脉宽稳定基准输入模块、映射算法模块、相位调制驱动输出模块、色散补偿驱动输出模块以及反馈采集接口；

11、所述映射算法模块内置有对应异质集成芯片热-光-色散耦合漂移的参数查找表，采用前馈映射预调与反馈误差修正的双闭环控制架构，通过前馈映射在≤10μs内同步输出相位与色散驱动信号，并通过反馈采集的实际脉宽数据进行pid闭环微调，将输出脉宽抖动控制在5%以内。

12、作为本发明的进一步改进，所述自适应控制单元包括脉宽稳定基准输入模块、映射算法模块、相位调制驱动输出模块、色散补偿驱动输出模块以及反馈采集接口；

13、所述映射算法模块内置有对应异质集成芯片热-光-色散耦合漂移的参数查找表，采用前馈映射预调与反馈误差修正的双闭环控制架构，通过前馈映射在≤10μs内同步输出相位与色散驱动信号，并通过反馈采集的实际脉宽数据进行pid闭环微调，将输出脉宽抖动控制在5%以内。

14、本发明公开了一种基于集成频梳与时域相位调控的片上飞秒脉冲产生方法，其基于上述的片上飞秒脉冲产生装置实现，包括：

15、步骤s1、集成光频梳生成：通过光源模块生成并输出光谱平坦的等间隔多纵模光频梳；

16、步骤s2、时域强度调制：通过soa强度调制模块对平坦光频梳进行周期性强度切割，形成固定重复频率的光脉冲序列，并同步完成光信号的线性放大；

17、步骤s3、时域相位调制：通过时间相关相位调制模块对光脉冲施加二次时域相位，引入线性频率啁啾，建立光脉冲时域与频域的映射关系；

18、步骤s4、色散匹配压缩：通过色散补偿与脉冲压缩单元提供可调负群延迟色散，对携带线性啁啾的光脉冲进行时域压缩；

19、步骤s5、自适应闭环调控：实时采集输出脉冲的脉宽与光谱数据，同步调节相位曲率系数与色散量，维持的傅里叶变换极限匹配关系，输出稳定的变换极限飞秒脉冲。

20、作为本发明的进一步改进，在所述步骤s5中，具体包括：

21、步骤s51、前馈预配置：根据设定的目标脉宽参数，调用内置参数查找表计算目标相位曲率与目标色散量，在≤10μs内同步输出相位调制驱动信号与色散补偿驱动信号，完成参数前馈预调；

22、步骤s52、反馈精修正：实时采集输出脉冲的实际脉宽数据，与目标脉宽进行误差计算，通过pid控制算法微调相位与色散驱动电压，动态补偿器件热光漂移与环境扰动，维持脉冲长期稳定输出。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、本发明采用片上微环光频梳、调制器及色散器件，实现全光链路集成，显著降低系统体积与复杂度，具备高集成度。

25、本发明通过自适应控制单元实现相位调制与色散补偿的动态匹配，有效抑制环境扰动与器件漂移，具备高稳定性。

26、本发明通过频谱平坦化、相位调制与色散压缩协同作用，实现变换极限飞秒脉冲输出，具备高质量脉冲输出特性。

27、本发明各功能模块可采用多种集成实现形式，结构灵活性强，具有良好的工艺兼容性与可扩展性。

28、本发明通过“非线性光频梳产生—强度与相位联合调制—色散匹配压缩”的协同机制，实现片上集成飞秒脉冲产生，具有结构紧凑、实现简单及输出稳定性高等优点，适用于相干光通信、微波光子学、超快光谱分析及量子信息处理等领域。