一种光学频率梳产生系统及产生方法与流程

1.本发明实施例涉及微纳光学器件技术，尤其涉及一种光学频率梳产生系统及产生方法。


背景技术：

2.光学频率梳在现代光学测量、高精度光谱学、光学原子钟、微波光子学等领域有着重要应用。
3.通常情况下，光学频率梳可以利用锁模飞秒激光器、电光调制或者克尔非线性产生。与传统的锁模飞秒激光器实现光学频率梳相比，电光调制或者克尔非线性虽然能够在微腔中实现光学频率梳，从而实现微小型化乃至芯片集成，但这些微腔光学频率梳重复频率高(ghz至thz)，大大限制了其在高分辨率光谱学、有效分子激发、量子光学、超窄谱宽锁模脉冲产生等领域的应用。而实现低重复频率微腔光学频率梳传统上受限于尺寸，例如，此前克尔光梳最低重复频率为1.859ghz，产生于35mm大直径微盘腔样品，而更低重频则需要更大样品。迄今为止，未有一种合适的产生＜ghz重频宽带宽、高效率、高相干性、光谱平坦、并适用于各个波段的微腔光学频率梳的方案。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种光学频率梳产生系统及产生方法，以产生可以用于芯片集成的高性能、宽带宽、低重频(＜ghz)光学频率梳。
5.第一方面，本发明实施例提供一种光学频率梳产生系统，包括泵浦源、耦合结构和光力微腔；
6.所述泵浦源用于提供泵浦光，所述泵浦光耦合入所述耦合结构；
7.所述耦合结构用于将所述泵浦光耦合入所述光力微腔；
8.所述光力微腔集成于一基片衬底上，所述光力微腔包括光学模式和力学模式；
9.所述泵浦光在所述光力微腔中激发所述光学模式；
10.所述光学模式与所述力学模式耦合，产生动力学反作用；
11.所述动力学反作用驱动所述力学模式，产生光学边带，输出光学频率梳；
12.其中，所述泵浦光与所述光力微腔处于大蓝失谐状态，所述耦合结构与所述光力微腔处于过耦合状态，所述大蓝失谐状态为泵浦光频率与光学模式共振频率之差大于力学模式共振频率的十倍，所述过耦合状态为光学模式损耗速率与所述力学模式共振频率处于同一量级。
13.可选的，还包括偏振控制器，所述偏振控制器位于所述泵浦源和所述耦合结构之间，所述偏振控制器用于调节所述泵浦光的偏振方向。
14.可选的，还包括分束器、光电探测器、示波器以及光谱仪；
15.从所述光力微腔延伸出的所述耦合结构的输出端与所述分束器的输入端连接，所述分束器的第一输出端与所述光电探测器连接，所述光电探测器与所述示波器连接，所述
分束器的第二输出端与所述光谱仪连接；
16.所述示波器用于输出所述光电探测器探测的时域波形，所述光谱仪用于测量所述分束器的第二输出端的输出光谱。
17.可选的，所述泵浦源包括波长可调的激光器。
18.可选的，所述泵浦源包括固定波长的激光器。
19.可选的，所述光力微腔包括回音壁模式光力微腔，所述光学模式和所述光力微腔本身的力学模式耦合。
20.可选的，所述光力微腔包括驻波模式光力微腔，所述驻波模式光力微腔内设置有微纳结构、膜状结构、光子晶体、声子晶体或振动原子云；
21.所述光学模式和所述光力微腔内物体的力学模式耦合。
22.可选的，所述光学频率梳的重复频率由所述力学模式共振频率决定，所述力学模式共振频率位于khz、mhz或ghz量级。
23.可选的，所述耦合结构与所述光力微腔集成于同一基片衬底上。
24.第二方面，本发明实施例还提供一种光学频率梳产生方法，利用上述任一所述的光学频率梳产生系统执行，包括：
25.泵浦源输出泵浦光，所述泵浦光通过耦合结构耦合入光力微腔；
26.调节所述泵浦光和所述耦合结构，使所述泵浦光与所述光力微腔处于大蓝失谐状态，所述耦合结构与所述光力微腔处于过耦合状态，以使光力微腔输出光学频率梳；
27.其中，所述泵浦光在所述光力微腔中激发光学模式；所述光学模式与力学模式耦合，产生动力学反作用；所述动力学反作用驱动所述力学模式，产生光学边带，输出光学频率梳；所述大蓝失谐状态为泵浦光频率与光学模式共振频率之差大于力学模式共振频率的十倍，所述过耦合状态为光学模式损耗速率与所述力学模式共振频率处于同一量级。
28.本发明实施例提供的光学频率梳产生系统，包括泵浦源、耦合结构和光力微腔；泵浦源用于提供泵浦光，泵浦光耦合入耦合结构；耦合结构用于将泵浦光耦合入光力微腔；光力微腔集成于一基片衬底上，光力微腔包括光学模式和力学模式；泵浦光在光力微腔中激发光学模式；光学模式与力学模式耦合，产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，产生光学边带，输出光学频率梳；其中，泵浦光与光力微腔处于大蓝失谐状态，耦合结构与光力微腔处于过耦合状态，大蓝失谐状态为泵浦光频率与光学模式共振频率之差大于力学模式共振频率的十倍，过耦合状态为光学模式损耗速率与力学模式共振频率处于同一量级。通过泵浦源提供泵浦光，通过耦合结构将泵浦光耦合入光力微腔，光力微腔包括光学模式和力学模式，泵浦光在光力微腔中传输时与力学模式耦合，当泵浦光与光力微腔处于大蓝失谐状态，耦合结构与光力微腔处于过耦合状态时，光学模式与力学模式耦合产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，产生光学边带，从而输出光学频率梳；通过利用集成于一基片衬底上的光力微腔，可以实现芯片集成；大蓝失谐状态和过耦合状态可以提高光学频率梳带宽、效率以及光谱平坦度，可以抑制光力混沌现象；本实施例提供的光学频率梳产生系统可以产生可以用于芯片集成的高性能、宽带宽、低重频(＜ghz)光学频率梳。
附图说明
29.图1是本发明实施例提供的一种光学频率梳产生系统的结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的另一种光学频率梳产生系统的结构示意图；
31.图3是本发明实施例提供的又一种光学频率梳产生系统的结构示意图；
32.图4～图9分别是本发明实施例提供的一种光力微腔的结构示意图；
33.图10是本发明实施例提供的一种光学频率梳产生方法的流程示意图；
34.图11是本发明实施例产生的一种光学频率梳的示波器波形示意图；
35.图12是本发明实施例产生的一种光学频率梳的光谱示意图；
36.图13是本发明实施例中梳齿数量与泵浦功率关系示意图；
37.图14是本发明实施例产生的另一种光学频率梳的示波器波形示意图；
38.图15是本发明实施例产生的另一种光学频率梳的光谱示意图；
39.图16是本发明实施例提供的一种光学频率梳产生系统的原理示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
41.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.图1所示为本发明实施例提供的一种光学频率梳产生系统的结构示意图。参考图1，本实施例提供的光学频率梳产生系统包括泵浦源10、耦合结构20和光力微腔30；泵浦源10用于提供泵浦光，泵浦光耦合入耦合结构20；耦合结构20用于将泵浦光耦合入光力微腔30；光力微腔30集成于一基片衬底上，光力微腔30包括光学模式和力学模式；泵浦光在光力微腔30中激发光学模式；光学模式与力学模式耦合，产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，产生光学边带，输出光学频率梳；其中，泵浦光与光力微腔30处于大蓝失谐状态，耦合结构20和光力微腔30处于过耦合状态，大蓝失谐状态为泵浦光频率与光学模式共振频率之差大于力学模式共振频率的十倍，过耦合状态为光学模式损耗速率与力学模式共振频率处于同一量级。
43.其中，泵浦源10用于产生激发光学频率梳的泵浦光，在某一实施例中，可选的，泵浦源10包括波长可调的激光器，例如波长可调的光纤激光器、波长可调的半导体激光器等，通过调节泵浦光的输出波长将泵浦光调节至与光力微腔30大蓝失谐状态的泵浦频率。在另一实施例中，可选的，泵浦源10包括固定波长的激光器，泵浦源10输出固定频率的泵浦光，利用光力微腔30的非线性效应(例如热光非线性，光力微腔产生的热效应使光学模式共振频率发生非线性频移，等效为泵浦光频率改变)使得在泵浦光波长不变的情况下，直接达到大蓝失谐状态的条件，具体实施时可以根据实际情况选择泵浦源10的方式，本发明实施例
对此不作限定。耦合结构20用于将接收泵浦源10出射的泵浦光，并将泵浦光耦合入光力微腔30，具体实施时，耦合结构20可以包括拉锥光纤、微纳光纤或其他光波导等，示意性的，图1中示出的耦合结构20为包括锥状结构的光纤，泵浦光在锥状结构产生倏逝场，实现与光力微腔30的耦合，通过调节锥状结构和光力微腔30的距离可以调节耦合效率，锥状结构可以通过光纤熔融拉锥得到，光纤锥耦合方式具有耦合效率高、可操控性强、调节方便的优点，具体实施时，可以根据实际实验条件选择耦合结构20的类型，本发明实施例不作限定。
44.光力微腔30为单片集成的光学微腔，具有较高的光学模式品质因子和力学模式品质因子。可以理解的是，要使泵浦光处于过耦合状态，光力微腔30中光学模式总损耗速率需要与力学模式共振频率相当(保持在一个数量级内)，单位都为hz，而总损耗速率是由本征损耗速率加上耦合损耗速率而来，本征损耗速率当微腔选定后固定，因此只能调节耦合损耗速率来调节总损耗速率。过耦合状态是指因为光学微腔品质因子很高，本征损耗速率很小，这样可以使得光学频率梳产生效率大大提高，而这时如要实现光学模式总损耗速率与力学模式共振频率相当，就必须加大耦合带来的损耗速率，这时耦合损耗速率远远大于腔本征损耗速率，即所谓的过耦合状态，这种状态下，可以提高光学频率梳的带宽、效率及光谱平坦度，还可以有效抑制光力混沌现象。大蓝失谐状态需要泵浦失谐量至少大于十倍的力学模式共振频率，泵浦失谐量为泵浦光频率与力学模式共振频率之差，泵浦失谐量决定了光学频率梳的谱宽，越大则谱宽越宽，具体实施时，往往大于力学模式共振频率的三十倍，通过调节泵浦频率至合适的大蓝失谐泵浦实现对光力微腔30力学模式振幅的放大及最佳泵浦，进而产生宽带宽、高效率、光谱平坦、相干性强的光学频率梳。
45.另外，光学频率梳带宽可以通过提高泵浦功率来扩展，光学频率梳中心频率可以通过调节泵浦光频率来调节。其中，通过选取不同共振频率的光力微腔的光学模式，可以实现不同波长的光学频率梳，例如包括但不限于可见光、红外、紫外光学频率梳。可选的，光学频率梳的重复频率由力学模式共振频率决定，力学模式共振频率位于khz、mhz或ghz量级，通过选择不同光学模式的光力微腔，可以实现不同光波段的光学频率梳，通过选择不同力学模式的光力微腔，可以实现不同重复频率的光学频率梳。
46.本实施例的技术方案，通过泵浦源提供泵浦光，通过耦合结构将泵浦光耦合入光力微腔，光力微腔包括光学模式和力学模式，泵浦光在光力微腔中传输时与力学模式耦合，当泵浦光与光力微腔处于大蓝失谐状态，耦合结构与光力微腔处于过耦合状态时，光学模式与力学模式耦合产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，产生光学边带，从而输出光学频率梳；通过利用集成于一基片衬底上的光力微腔，可以实现芯片集成；大蓝失谐状态和过耦合状态可以提高光学频率梳带宽、效率以及光谱平坦度，可以抑制光力混沌现象；本实施例提供的光学频率梳产生系统可以产生可以用于芯片集成的高性能、宽带宽、低重频(＜ghz)光学频率梳。
47.在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种光学频率梳产生系统的结构示意图。参考图2，可选的，本实施例中提供的光学频率梳产生系统还包括偏振控制器40，偏振控制器40位于泵浦源10和耦合结构20之间，偏振控制器40用于调节泵浦光的偏振方向。
48.示例性的，具体实施时，耦合结构20包括光纤，通过调节偏振控制器40处于不同状态，实现泵浦光偏振方向的调节，从而调节泵浦光与光力微腔30的耦合效率，偏振控制器40
可以为三环式或嵌入式偏振控制器，本发明实施例对此不作限定。
49.图3所示为本发明实施例提供的又一种光学频率梳产生系统的结构示意图。参考图3，可选的，本实施例提供的光学频率梳产生系统还包括分束器50、光电探测器60、示波器70以及光谱仪80；从光力微腔30延伸出的耦合结构20的输出端与分束器50的输入端连接，分束器50的第一输出端与光电探测器60连接，光电探测器60与示波器70连接，分束器50的第二输出端与光谱仪80连接；示波器70用于输出光电探测器60探测的时域波形，光谱仪80用于测量分束器50的第二输出端的输出光谱。
50.可以理解的是，为了验证本发明实施例提供的光学频率梳产生系统是否产生了光学频率梳，需要进行测试，通过观察示波器70的时域波形和光谱仪80测量的光谱，可以判断是否产生了光学频率梳。在具体实施时，分束器50可以选用第一输出端与第二输出端的分光比为90：10(任意比例都可以，此处不作限定)的光纤耦合器。在其他实施例中，还可以在泵浦源10的输出端设置光放大器、滤波器、偏振控制器等结构，具体实施时可以根据实际条件选择。
51.可选的，光力微腔30包括回音壁模式光力微腔，光学模式和光力微腔本身的力学模式耦合。可选的，光力微腔30包括驻波模式光力微腔，驻波模式光力微腔内设置有微纳结构、膜状结构、光子晶体、声子晶体或振动原子云；光学模式和光力微腔内物体的力学模式耦合。
52.示例性的，图4～图9所示分别为本发明实施例提供的一种光力微腔的结构示意图。参考图4～图9，阴影部分为光场分布，黑色线条为腔边界振动轮廓，光力微腔可以为回音壁模式的微环芯腔或微球腔或微盘腔(图4)，也可以为驻波模式的光学微腔，其中图5所示为驻波模式悬臂镜面，图6为悬臂镜内放膜状结构，图7为光子晶体/声子晶体中的局域模式，图8为腔中放入囚禁/振动原子云或其他悬浮物体，图9为一个振动电容器与微波场耦合。
53.可选的，耦合结构20与光力微腔30集成于同一基片衬底上。在具体实施时，耦合结构20可以为微纳光纤等可以集成于基片衬底上的结构，通过将耦合结构20与光力微腔30级成在同一基片衬底上，可以进一步提升光学频率梳产生系统的集成度。
54.图10所示为本发明实施例提供的一种光学频率梳产生方法的流程示意图，该方法可以由上述实施例提供的任意一种光学频率梳产生系统来执行，具体包括如下步骤：
55.步骤s110、泵浦源输出泵浦光，泵浦光通过耦合结构耦合入光力微腔。
56.其中，泵浦源可以包括波长可调的激光器，也可以包括固定波长的激光器，耦合结构可以包括拉锥光纤、微纳光纤或其他光波导等，具体实施时可以根据实际情况灵活选择。
57.步骤s120、调节泵浦光和耦合结构，使泵浦光与光力微腔处于大蓝失谐状态，耦合结构与光力微腔处于过耦合状态，以使光力微腔输出光学频率梳。
58.其中，泵浦光在光力微腔中激发光学模式；光学模式与力学模式耦合，产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，产生光学边带，输出光学频率梳；大蓝失谐状态为泵浦光频率与光学模式共振频率之差大于力学模式共振频率的十倍，过耦合状态为光学模式损耗速率与力学模式共振频率处于同一量级。
59.本实施例的技术方案，通过泵浦源提供泵浦光，通过耦合结构将泵浦光耦合入光力微腔，光力微腔包括光学模式和力学模式，泵浦光在光力微腔中传输时与力学模式耦合，
当泵浦光与光力微腔处于大蓝失谐状态，耦合结构与光力微腔处于过耦合状态时，光学模式与力学模式耦合产生动力学反作用；动力学反作用驱动力学模式，产生光学边带，从而输出光学频率梳；通过利用集成于一基片衬底上的光力微腔，可以实现芯片集成；大蓝失谐状态和过耦合状态可以提高光学频率梳带宽、效率以及光谱平坦度，可以抑制光力混沌现象；本实施例提供的光学频率梳产生系统可以产生可以用于芯片集成的高性能、宽带宽、低重频(＜ghz)光学频率梳。
60.具体的，以图3所示的光学频率梳产生系统结构为例，在某一实施例中，泵浦源10采用1550nm左右的波长可调激光器，耦合结构20采用带有锥状结构的光纤，光纤具有可弯曲并与现有基于光纤输出输入端口器件的良好兼容及集成特性，光力微腔30采用氧化硅材质片上回音壁模式微环芯腔结构，衬底采用硅结构，这里氧化硅微环芯腔具有造价成本低、光学及力学模式品质因子超高、可芯片集成等优点。所采用的氧化硅微环芯腔，直径为50μm，光学模式品质因子＞107，力学模式品质因子＞3000，力学模式共振频率26.5mhz，光力耦合系数为20ghz/nm，图11所示为本发明实施例产生的一种光学频率梳的示波器波形示意图，图12所示为本发明实施例产生的一种光学频率梳的光谱示意图，梳齿频率间隔为力学模式共振频率26.5mhz。图13所示为本发明实施例中梳齿数量与泵浦功率关系示意图，参考图13，逐步提高泵浦功率，并调节泵浦源10至合适大蓝失谐频率，可以得到光学频率梳梳齿根数(带宽)随功率变大而增加。
61.在另一实施例中，光力微腔30采用氧化硅微球腔，直径为30μm，光学模式品质因子＞107，力学模式品质因子＞3000，力学模式共振频率136.5mhz，光力耦合系数为20ghz/nm。图14所示为本发明实施例产生的另一种光学频率梳的示波器波形示意图，图15所示为本发明实施例产生的另一种光学频率梳的光谱示意图，梳齿频率间隔为力学模式共振频率136.5mhz。
62.在其他实施例中，光力微腔还可以为驻波模式光力微腔，图16所示为本发明实施例提供的一种光学频率梳产生系统的原理示意图，其中一面腔镜为移动腔镜，通过光力微腔中光学模式光压驱动腔镜运动，使得驻波模式光力微腔中光学模式与腔镜力学模式产生耦合，通过动力学反作用产生光学频率梳。通过光波导与驻波模式光学微腔的耦合结构设计实现过耦合，泵浦源泵浦驻波模式光力微腔产生光学边带。连续调节泵浦光源至合适大蓝失谐泵浦频率，将少量光学边带扩宽至宽带宽光学频率梳，并实现光谱平坦。产生的光学频率梳梳齿频率间隔为腔镜力学模式共振频率。
63.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。