一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及产生方法与流程

1.本发明涉及一种光学频率梳系统，具体涉及一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及产生方法。


背景技术：

2.光学频率梳(光频梳)是由一系列离散的、等间隔的频率梳齿组成的像梳子一样形状的光谱。得益于光学频梳的超高频率稳定性，光学频率梳为光学频率测量、超高精度时频标准、精密测量等领域得到了广泛的应用。目前光学频率梳经历了频率链、锁模激光器频率梳和片上集成克尔光频梳三代技术，其中片上集成克尔光频梳具有体积小、重量轻、功耗低、重频高等优势，成为近年来的一个研究热点。
3.随着片上孤子光频梳技术的日益成熟，片上孤子光频梳已经成功应用于光通信系统、精密测量、微波技术、量子技术、光谱学、光钟等领域。目前片上光频梳应用的一个困难是其能量转化效率较大，单孤子频梳的转换效率在5％以下。提升能量转换效率的一个有效方法是增加光学微腔内的孤子数，然而，孤子在光学微腔内的位置是随机的，各孤子光谱的干涉使其光谱能量难以平坦化，同时，腔内孤子数通常也是随机的，对孤子数的精确控制目前仍是一个难题，限制了其应用价值。此外，片上光波导的弯曲半径受折射率的限制，无法直接加工出超大自由光谱范围的片上光学微腔，因此难以直接产生重频大于1thz的孤子光频梳。片上孤子晶体光频梳的出现为提升光频梳的能量转化效率和提高孤子频梳的重频提供了新的解决思路。目前片上孤子晶体光频梳的实现主要依赖微腔的模式交叉效应，其模式交叉点随着器件的制备完成而确定，并且在器件加工工艺并不能对模式交叉点进行精确控制，导致产生孤子晶体频梳的泵浦光位置受到器件的限制。此外，目前报道的孤子晶体频梳大多重频在thz以上，并不能对其进行任意控制。综上，片上孤子频梳的操控具有较大的技术难度，实现孤子光频梳的自由操控是其应用亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.针对微波光子学、精密测量和并行光纤通信系统等对高频率间隔光频梳源的需求，特别是片上集成重频可自由调谐的光频梳源的需求，本发明提供了一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及产生方法，其产生的光频梳信号具有噪声低、体积小、操作容易、环境稳定性好等优点。
5.本发明的技术方案是：
6.一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源，其特殊之处是：包括孤子频梳光学模块、输出端口和控制系统；所述孤子频梳光学模块包括泵浦激光器、控制激光器和片上光学微腔；其中：泵浦激光器的工作波长可以通过驱动电流进行调节，其与片上光学微腔的输入端口通过低传输损耗波导相连；控制激光器的波长可通过腔结构进行调节，其与片上光学微腔的上传端口通过低传输损耗波导相连，且控制激光器的波长最大调节范围大于片上光学微腔的一个自由光谱范围；所述输出端口为空间准直激光输出端口或者光纤输出端
口；所述孤子频梳光学模块与输出端口耦合；所述控制系统用于泵浦激光器的驱动和波长微调、控制激光器驱动和波长调节、频梳源工作温度的控制及调谐片上光学微腔的谐振峰位置。
7.进一步地，上述泵浦激光器、控制激光器和片上光学微腔为混合集成结构；或者，所述孤子频梳光学模块为异质单片集成的孤子频梳芯片。
8.进一步地，上述孤子频梳光学模块和输出端口通过片上模场转换和外部透镜结构进行低插损耦合。
9.进一步地，上述片上光学微腔具有负色散系数和超高品质因子，其因光激励产生光参量振荡效应的阈值功率小于泵浦激光器的发射功率。
10.进一步地，上述泵浦激光器为高功率单频窄线宽半导体激光器，具有足够的发射功率激励片上光学微腔产生孤子频梳；
11.所述控制激光器为波长可调谐的窄线宽激光器，其波长调节精度优于片上光学微腔谐振峰带宽的四分之一。
12.进一步地，上述泵浦激光器工作波长的调节精度优于1mhz；所述控制激光器工作波长的调节精度优于1mhz。
13.进一步地，上述控制系统包括高精度温度控制模块、泵浦激光器驱动控制模块和控制激光器驱动控制模块；所述泵浦激光器的线宽小于100khz，输出波长为1560nm波段范围；所述控制激光器为波长在c波段可调谐的半导体激光器；所述片上光学微腔为基于高折射率玻璃光子集成平台制备的光学微腔，其自由光谱范围为49ghz,品质因子为6.0
×
106。
14.本发明还提供了一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源产生方法，其特殊之处是，包括以下步骤：
15.1)控制系统初始化，包括工作温度的稳定、泵浦激光器和控制激光器初始状态设定；
16.2)调节系统工作温度，移动片上光学微腔的谐振峰位置，使泵浦激光器耦合进入光学微腔；
17.3)根据设定的孤子数n，调节控制激光器的输出波长，使其与泵浦激光器波长间隔n个光学微腔自由光谱范围，并精细调节其输出波长；
18.4)精确调节系统的工作温度或同步调谐两个激光器的输出波长，直到孤子光频梳产生；
19.5)锁定系统的工作温度和两个激光器输出波长，实现孤子光频梳的稳定输出。
20.进一步地，上述步骤2)具体为：
21.降低温度控制器的工作温度，使片上微腔的谐振峰向短波长漂移，直到泵浦激光耦合进入谐振峰并产生光参量振荡现象；此时泵浦激光被热锁定在微腔的谐振峰蓝失谐处；
22.进一步地，上述步骤3)具体为：
23.设置控制激光器的输出波长，并精细调节其波长，使之耦合进入微腔的一个谐振峰，其标记为泵浦光和控制光发生四波混频效应，产生新的频率成分；
24.进一步地，上述步骤4)具体为：
25.继续降低温度控制器的工作温度，使片上微腔的谐振峰向短波长漂移，此时耦合
进入片上微腔的功率增加，产生宽带光频梳；直到泵浦激光进入片上微腔的红失谐位置，产生孤子频梳。
26.进一步地，上述系统工作温度为60摄氏度；所述泵浦激光器的工作波长为1560.2nm，所述输出功率为80mw。
27.与现有技术相比，本发明的优点是：
28.1、本发明采用集成化的技术方案，具有体积小、功耗低、稳定度高等优势；
29.2、本发明中的控制激光器为孤子数目控制激光器，可以通过调节控制激光器的输出波长，对孤子频梳的重频进行精确控制。实现了集成光频梳孤子数的自由控制；
30.3、本发明实现了孤子位置精确控制，从而实现了完美孤子晶体的确定性产生，该频梳具有光滑的光谱和均匀分布的脉冲，极大提升了孤子频梳的应用价值；
附图说明
31.图1为实施例提供的一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源的结构示意图。
32.图2为实施例中10个孤子的完美孤子晶体产生过程中的光谱演化图。其中：(a)是泵浦光和控制光产生四波混频效应的光谱图；图(b)时泵浦光和控制光失谐量减小时产生的宽带光谱图；(c)是10个孤子的完美孤子晶体光谱图。
33.图3为实施例中10个孤子的完美孤子晶体产生过程中光场功率的演化图。
34.图4为1
‑
32个孤子的完美孤子晶体频梳的光谱图。
35.附图标记如下：1
‑
孤子频梳光学模块；11
‑
单频窄线宽半导体激光器；12
‑
控制激光器；13
‑
集成微腔；2
‑
输出端口；3
‑
控制系统。
具体实施方式
36.参见图1，本发明所提供的重频可调谐的集成孤子频梳源，包括孤子频梳光学模块1、输出端口2和控制系统3。其中孤子频梳光学模块1包括泵浦激光器11、控制激光器12和高品质因子片上光学微腔13。
37.在本实施例中，泵浦激光器11采用窄线宽半导体激光器，线宽小于100khz，输出波长为1560nm波段范围；控制激光器为波长在c波段可调谐的半导体激光器，控制模块为外置的温度控制器和激光器驱动模块。高品质因子片上光学微腔为基于高折射率玻璃光子集成平台制备的光学微腔，其自由光谱范围为49ghz,品质因子为6.0
×
106。通过片上模场转换结构优化泵浦激光器和控制激光器与光纤微腔的耦合损耗，本实施例中的耦合损耗小于2db。
38.本实施例将以微腔内产生10个孤子的完美孤子晶体频梳为例说明其具体过程：
39.1)打开控制系统电源，设置温度控制器的工作温度，本实施例中温度设置为60摄氏度；设置泵浦激光器的工作波长为1560.2nm，输出功率为80mw。
40.2)降低温度控制器的工作温度，使片上微腔的谐振峰向短波长漂移，直到泵浦激光耦合进入谐振峰并产生光参量振荡现象；此时泵浦激光被热锁定在微腔的谐振峰蓝失谐处；
41.3)设置控制激光器的输出波长为1556.2nm，并精细调节其波长，使之耦合进入微腔的一个谐振峰，其标记为泵浦光和控制光发生四波混频效应，产生新的频率成分；如图2
所示。
42.4)继续降低温度控制器的工作温度，使片上微腔的谐振峰向短波长漂移，此时耦合进入片上微腔的功率增加，产生宽带光频梳；直到泵浦激光进入片上微腔的红失谐位置，产生孤子频梳；光频梳的光谱演化如图2所示，其光功率演化过程如图3所示。
43.5)为产生其它重频的完美孤子晶体频梳，需重新设置控制激光器的输出波长，重复2—4步即可。图4展示了1
‑
32个孤子完美孤子晶体光谱图。
44.综上所述，本发明提供了一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源，利用控制光与泵浦光的拍频产生周期性的光场，用于光时域孤子的捕获，并通过调节控制光的位置，改变微腔内背景场的周期数，实现孤子光频梳微腔内孤子数目和分布的控制。本发明所提供的方案具有体积小、成本低、光频梳重频可调、稳定性高、可全片上集成和可操控性强的优势，解决了微腔光频梳的确定性调控问题，在未来微腔光频梳在微波技术、thz技术、光通信系统和精密测量等应用领域具有重要的实用价值。