一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳系统及方法

技术领域

本申请涉及光学频率梳光源领域，尤其涉及一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳系统及方法。

背景技术

光学频率梳作为一种新型激光光源，兼具窄线宽激光器和宽带光源的优点，表现出超宽光谱、极窄模式线宽和超快时域脉冲特性，被广泛用于通信、传感和光谱测量等领域，在基础研究和应用领域潜力巨大。其中，微腔孤子光学频率梳因其体积小，易集成，激发方便，输出稳定等优点，得到了快速的发展。但微腔一旦制备完成，其材料和形状均很难改变，导致对于此类光学频梳的调谐一直是个难题。

温度作为基本物料量，影响材料的折射率和微腔的形状（热胀冷缩），因此基于温度的调谐是最为直接的方式。2019年，《Zhu, S., Shi, L., Ren, L., Zhao, Y., Jiang,B., Xiao, B., and Zhang, X，“Controllable Kerr and Raman-Kerr frequency combsin functionalized microsphere resonators”，in Nanophotonics，Nov. 2019, pp.2321-2329.》报道了基于热调控的功能球型微腔光梳的工作。通过在微球腔表面吸附金属氧化物纳米颗粒，使其可以吸收光能量产生温度变化，引起微球腔谐振特性变化，最终实现光频梳输出频率的偏移和间距的调控。随着集成技术的发展，基于异质结材料的电学可调微腔光频梳被逐渐提出来。2018年，《Yao, B., Huang, S. W., Liu, Y., Vinod, A. K.,Choi, C., Hoff, M., and Wong, C. W.，“Gate-tunable frequency combs ingraphene–nitride microresonators”, in Nature, Jun. 2018, pp .410-414.》报道了基于石墨烯修饰的氮化硅微腔相干克尔光梳，第一次实现了基于电压门控的光梳孤子调控；2020年，《Qin, C., Jia, K., Li, Q., Tan, T., Wang, X., Guo, Y., and Yao, B.,“Electrically controllable laser frequency combs in graphene-fibremicroresonators”，in Science & Applications, Nov 2020, pp.1-9.》报道了基于石墨烯的异质结光纤PF微腔光梳，通过电调控实现了波长、重频等参量调节（Light: Science &Applications，9, 185，2020）。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

目前基于热调控还是通过在微腔上附着材料，实现吸光或者电加热的方式，效率低，制备过程不可控，重复性不好；基于石墨烯电调控的方案，需要的精密的微加工技术，制备过程复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请实施例的目的是提供一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳系统，具有本征可调谐、系统结构简单、重复性好、全光调控和可调范围大等特点。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳系统，包括：

孤子激发模块，所述孤子激发模块用于产生波长、功率和偏振可调的泵浦激光；

光纤球梳模块，所述光纤球梳模块用于接收所述泵浦激光从而实现孤子激发，包括光纤微球谐振腔、微纳耦合光纤，其中所述光纤微球谐振腔基于特种掺杂光纤制备得到，所述微纳耦合光纤与所述光纤微球谐振腔进行耦合后，由微纳光纤输出孤子光频梳信号，其中所述特种掺杂光纤是对特定波段的光谱进行吸收以进行光热转换的光纤；

光谱检测模块，所述光谱检测模块将所述孤子光频梳信号分为三路，其中一路用于进行所述孤子光频梳信号的调谐和监测以进行反馈，从而进入频梳稳态控制模式，另外两路用于在进入频梳稳态控制模式之后进行时域和频域测量以及进行光谱测量；

光控调谐模块，所述光控调谐模块接收所述光谱检测模块中一路的反馈输出，所述光控调谐模块的输出端与所述光纤球梳模块的球腔相连接，以对所述孤子光频梳信号进行调节。

进一步地，所述孤子激发模块包括依次连接的可调谐窄线宽激光器、光放大器及偏振控制器，通过设置所述可调谐窄线宽激光器的输出波长扫描范围并调节所述光放大器的输出和所述偏振控制器的偏振态，实现泵浦激光的输出。

进一步地，所述光纤球梳模块还包括：

光纤夹持器，所述微纳耦合光纤安装在所述光纤夹持器上；

三维位移台，所述光纤微球谐振腔安装在所述三维位移台上，通过调节所述三维位移台的位置而改变所述光纤微球谐振腔与所述微纳耦合光纤之间的耦合距离和位置。

进一步地，所述光纤微球谐振腔包括：

光纤尾纤，所述光纤尾纤用于接收所述泵浦激光；

内腔，所述内腔是特种掺杂区，用于接收所述光控调谐模块输出的信号并将所述信号转化为热量，以对外腔产生的孤子光频梳信号进行调节；

外腔，所述外腔用于支撑微球腔表面孤子模式的激发和运转。

进一步地，所述光纤微球谐振腔是基于特种掺杂的光纤，通过光纤熔接机电极放电、CO2激光器激光加热或火焰燃烧这几种方式熔融制备而成。

进一步地，所述光纤微球谐振腔的制备过程包括：

将熔接机模式设置为光纤熔接模式，调节熔接机放电参数，在普通光纤末端熔接百微米级的特种掺杂光纤；

放电完成后，观察熔接点表面是否平滑，并对所述熔接点进行测试，以确保光纤熔接处损耗小于0.1dB；

将熔接机模式设置为光纤熔融烧球模式，调节熔接机放电参数，球直径设置500nm，在光纤前端进行微球腔放电制备；

放电完成后，观察光纤前端的小球表面，确保小球表面平滑，无肿胀、凹陷、气泡和错位，且小球形状圆润，从而完成基于特种掺杂光纤的微球谐振腔的制备。

进一步地，所述光谱检测模块包括：

光纤耦合器，所述光纤耦合器将所述光纤球梳模块的输出光谱分为三路；

可调斜边滤波器和第一探测器，所述可调斜边滤波器接收光纤耦合器的第一路输出并将输出的信号传递至所述第一探测器以使得所述第一探测器进行孤子光频梳信号的反馈，从而进入频梳稳态控制模式；

第二探测器，所述第二探测器接收所述光纤耦合器的第二路输出并将输出的信号一分为二分别传递至示波器和频谱仪，分别用于在进入频梳稳态控制模式之后进行时域和频域测量；

光谱仪，所述光谱仪接收所述光纤耦合器是第三路输出并进行光谱测量。

进一步地，所述光控调谐模块包括控制器和窄线宽泵浦光源，所述窄线宽泵浦光源的输出端与所述光纤球梳模块的球腔相连接，所述控制器接收所述光谱检测模块中一路的反馈输出，并控制所述窄线宽泵浦光源的输出功率，以对所述孤子光频梳信号进行调节。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于特种掺杂光纤的可调微腔光频梳调谐方法，应用于第一方面所述的系统中，包括：

通过孤子激发模块产生预定波长、功率和偏振的泵浦激光；

将所述泵浦激光传输至微纳耦合光纤，调节所述微纳耦合光纤和光纤微球谐振腔的位置和距离，以使得孤子光频梳信号在所述光纤微球谐振腔的表面产生并由所述微纳耦合光纤输出；

将孤子光频梳信号输入光谱检测模块并将所述光谱检测模块的第一路输出传输至光控调谐模块，以通过所述光控调谐模块的输出调节所述光纤微球谐振腔的温度，从而调节孤子光频梳的波长，从而进入频梳稳态控制模式并保证孤子光频梳信号的稳定；

在孤子光频梳信号稳定之后，通过所述光谱检测模块的第二路输出进行时域和频域测量，通过所述光谱检测模块的第三路输出进行光谱测量。

进一步地，该方法包括：

设置可调谐窄线宽激光器的输出波长扫描范围，并通过调节光放大器的输出与偏振控制器的偏振态，产生预定波长、功率和偏振的泵浦激光；

将所述泵浦激光传输至微纳耦合光纤，通过三维位移台调节光纤微球谐振腔与微纳耦合光纤之间的耦合位置和距离，达到光频梳孤子激发的耦合条件，从而使得孤子光频梳信号在所述光纤微球谐振腔的表面产生并由所述微纳耦合光纤输出；

将孤子光频梳信号输入一分三的光纤耦合器，其中第一路输出进入可调斜边滤波 器，调节可调斜边滤波器的参数，将所述可调斜边滤波器的输出光信号传输至第一探测器， 第一探测器输出对应的电信号至控制器，所述控制器通过调谐窄线宽泵浦激光源的输出功 率，改变光纤微球谐振腔的温度，以调谐输出的孤子光频梳波长，监测第一探测器中信号大 小，根据信号与波长的映射关系，判断孤子光频梳的波长

在孤子光频梳信号稳定之后，将所述孤子光频梳信号输入至所述光纤耦合器中，其中，第二路输出进入第二探测器后分成两路电信号输出至示波器和频谱仪，以进行时域测量和频域测量，第三路输出进入光谱仪，以进行光谱测量。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，1）本申请中光纤微球谐振腔基于特种掺杂光纤制备，具备本征可调谐的特性，相比较在微球表面进行如石墨烯、氧化石墨烯等材料修饰，可靠性高，环境稳定性强，制备可重复性高，且通过不同掺杂浓度光纤的选择，可以方便实现不同调谐能力的微球腔制备；2）本发明所提出的可调光频梳系统，通过光控实现频梳的调谐，响应速度快，不需要外加微球腔温控系统，结构简单；通过光谱检测模块对输出频梳稳定性的监测，控制光控调谐模块的光功率输出，可以方便地实现输出光谱的调谐和稳定控制；3）本发明中的可调光频梳系统，光热转化效率高，调谐的范围大，可实现全自由光谱范围的波长调谐。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳系统的示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的光纤微球谐振腔的示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳方法的流程图。

附图标记说明：

1、孤子激发模块；11、可调谐窄线宽激光器；12、光放大器；13、偏振控制器；2、光纤球梳模块；21、光纤微球谐振腔；21-1、内腔；21-2、外腔；21-3、光纤尾纤；22、微纳耦合光纤；23、光纤夹持器；24、三维位移台24；3、光谱检测模块；31、光纤耦合器；32、可调斜边滤波器；33、第一探测器；34、第二探测器；35、示波器；36、频谱仪；37、光谱仪；4、光控调谐模块；41、窄线泵浦光源；42、控制器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

实施例1：

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于特种掺杂光纤的可调微腔孤子光频梳系统的示意图，如图1所示，该系统可以包括孤子激发模块1、光纤球梳模块2、光谱检测模块3以及光控调谐模块4，所述孤子激发模块1用于产生波长、功率和偏振可调的泵浦激光；所述光纤球梳模块2用于接收所述泵浦激光从而实现孤子激发，包括光纤微球谐振腔21、微纳耦合光纤22，其中所述光纤微球谐振腔21基于特种掺杂光纤制备得到，所述微纳耦合光纤22与所述光纤微球谐振腔21进行耦合后，由微纳光纤输出孤子光频梳信号，其中所述特种掺杂光纤是对特定波段的光谱进行吸收以进行光热转换的光纤；所述光谱检测模块3将所述孤子光频梳信号分为三路，其中一路用于进行所述孤子光频梳信号的调谐和监测以进行反馈，从而进入频梳稳态控制模式，另外两路用于在进入频梳稳态控制模式之后进行时域和频域测量以及进行光谱测量；所述光控调谐模块4接收所述光谱检测模块3中一路的反馈输出，所述光控调谐模块4的输出端与所述光纤球梳模块2的球腔相连接，以对所述孤子光频梳信号进行调节。

由上述实施例可知，本申请中光纤微球谐振腔21基于特种掺杂光纤制备，具备本征可调谐的特性，相比较在微球表面进行如石墨烯、氧化石墨烯等材料修饰，可靠性高，环境稳定性强，制备可重复性高，且通过不同掺杂浓度光纤的选择，可以方便实现不同调谐能力的微球腔制备；本发明所提出的可调光频梳系统，通过光控实现频梳的调谐，响应速度快，不需要外加微球腔温控系统，结构简单；通过光谱检测模块3对输出频梳稳定性的监测，控制光控调谐模块4的光功率输出，可以方便地实现输出光谱的调谐和稳定控制；本发明中的可调光频梳系统，光热转化效率高，调谐的范围大，可实现全自由光谱范围的波长调谐。

需要说明的是，在本申请具体实施中，除特殊说明之外，各元件之间均通过光纤连接。

具体地，所述孤子激发模块1可以包括依次连接的可调谐窄线宽激光器11、光放大器12及偏振控制器42，通过设置所述可调谐窄线宽激光器11的输出波长扫描范围并调节所述光放大器12的输出和所述偏振控制器42的偏振态，实现泵浦激光的输出。孤子激发模块1产生波长、功率和偏振可调的泵浦光，实现光纤球梳模块2的孤子激发。

在具体实施中，所述可调谐窄线宽激光器11可为光纤型或者半导体型，用于产生种子泵浦激光，其波长调谐范围应大于微球谐振腔的一个自由光谱范围；所述光放大器12可以是光纤型或者半导体型，用于实现种子泵浦激光的功率放大；所述偏振控制器42可以为光纤型或空间光型，用于实现对泵浦激光的偏振态调节。

具体地，所述光纤球梳模块2还可以包括光纤夹持器23及三维位移台，所述微纳耦合光纤22安装在所述光纤夹持器23上；所述光纤微球谐振腔21安装在所述三维位移台上，通过调节所述三维位移台的位置而改变所述光纤微球谐振腔21与所述微纳耦合光纤22之间的耦合距离和位置，从而可以达到光频梳孤子激发的耦合条件。

具体地，如图2所示，所述光纤微球谐振腔21可以包括光纤尾纤21-3、内腔21-1、外腔21-2，所述光纤尾纤21-3用于接收所述泵浦激光；所述内腔21-1是特种掺杂区，用于接收所述光控调谐模块4输出的信号并将所述信号转化为热量，以对外腔21-2产生的孤子光频梳信号进行调节；所述外腔21-2用于支撑微球腔表面孤子模式的激发和运转。其中，内腔21-1是特种掺杂区，实现对光能量的吸收并以非辐射形式转化为热量，外腔21-2无特种掺杂，支撑微球腔表面孤子模式的激发和运转，光纤尾纤21-3用于实现泵浦光信号的导入。在本实施例中，选用钴作为掺杂元素，制成的特种掺杂光纤可以对976-980 nm波段的光谱进行吸收并进行光热转换。

特别的，所述的特种掺杂的光纤，是芯层掺杂有特种元素，如钴，铷，钼等元素的光纤；所掺杂元素对特定波段的光谱有较强的吸收，其中大部分能量会通过非辐射形式转化为热量，因此，此类光纤也被称为“光热光纤”。所述的光纤微球谐振腔21，芯层为掺杂过的“吸光层”，表面无掺杂仍表现出为低损耗状态，不影响回音壁模式孤子激发。所述的光纤微球谐振腔21的尾端通过单模光纤引出，可与光控调谐模块4连接。

微球腔谐振波长与微球腔折射率和尺寸有关，其谐振波长温度响应变化

其中，

具体地，所述光纤微球谐振腔21是基于特种掺杂的光纤，通过光纤熔接机电极放电、CO2激光器激光加热或火焰燃烧这几种方式熔融制备而成。

下面以光纤熔接机电极放电为例，对基于特种掺杂光纤的微球谐振腔的制备过程进行阐述。

具体地，所述光纤微球谐振腔21的制备过程包括：

步骤S11：将熔接机模式设置为光纤熔接模式，调节熔接机放电参数，在普通光纤末端熔接百微米级的特种掺杂光纤；

步骤S12：放电完成后，观察熔接点表面是否平滑，并对所述熔接点进行测试，以确保光纤熔接处损耗小于0.1dB；

步骤S13：将熔接机模式设置为光纤熔融烧球模式，调节熔接机放电参数（电流大小、放电电及与光纤之间位置等），设置微球直径500nm，在光纤前端进行微球腔放电制备；

步骤S14：放电完成后，观察光纤微球腔表面，确保小球表面平滑，无肿胀、凹陷、气泡和错位，且小球形状圆润，从而完成基于特种掺杂光纤的微球谐振腔的制备。

具体地，所述光谱检测模块3可以包括光纤耦合器31、可调斜边滤波器32、第一探测器33、第二探测器34及光谱仪37，所述光纤耦合器31将所述光纤球梳模块2的输出光谱分为三路；所述可调斜边滤波器32接收光纤耦合器31的第一路输出并将输出的信号传递至所述第一探测器33以使得所述第一探测器33进行孤子光频梳信号的反馈，从而进入频梳稳态控制模式；所述第二探测器34接收所述光纤耦合器31的第二路输出并将输出的信号一分为二分别传递至示波器35和频谱仪36，分别用于在进入频梳稳态控制模式之后进行时域和频域测量；所述光谱仪37接收所述光纤耦合器31是第三路输出并进行光谱测量。在具体实施中，可调斜边滤波器32的带宽略小于频梳输出光谱的自由光谱范围，以进行频梳调谐监测。

具体地，所述光控调谐模块4包括控制器42和窄线宽泵浦光源，所述窄线宽泵浦光源的输出端与所述光纤球梳模块2的球腔相连接，所述控制器42接收所述光谱检测模块3中一路的反馈输出，并控制所述窄线宽泵浦光源的输出功率，以对所述孤子光频梳信号进行调节。

在具体实施中，光谱检测模块3的输出端与控制器42的输入端通过信号线实现电连接，控制器42根据光谱检测模块3的输出信号，控制窄线宽泵浦光源的输出功率，实现对光纤微球腔的温度控制，进而实现球腔孤子的调谐。

实施例2：

本申请还提供一种基于特种掺杂光纤的可调光频梳调谐方法，该方法应用于实施例1所述的系统中，可以包括：

步骤S21：通过孤子激发模块1产生预定波长、功率和偏振的泵浦激光；

步骤S22：将所述泵浦激光传输至微纳耦合光纤22，调节所述微纳耦合光纤22和光纤微球谐振腔21的位置和距离，以使得孤子光频梳信号在所述光纤微球谐振腔21的表面产生并由所述微纳耦合光纤22输出；

步骤S23：将孤子光频梳信号输入光谱检测模块3并将所述光谱检测模块3的第一路输出传输至光控调谐模块4，以通过所述光控调谐模块4的输出调节所述光纤微球谐振腔21的温度，从而调节孤子光频梳的波长，从而进入频梳稳态控制模式并保证孤子光频梳信号的稳定；

步骤S24：在孤子光频梳信号稳定之后，通过所述光谱检测模块3的第二路输出进行时域和频域测量，通过所述光谱检测模块3的第三路输出进行光谱测量。

由上述实施例可知，本方法通过光控实现频梳的调谐，响应速度快，不需要外加微球腔温控系统，简化了系统结构简单；控制光控调谐模块4的光功率输出，通过光谱监测模块对输出频梳稳定性的监测形成闭环反馈，可以方便准确地实现输出光谱地调谐和稳定控制，更加高效精准。

更一般地，如图3所示，该方法可以包括：

步骤S31：设置可调谐窄线宽激光器11的输出波长扫描范围，并通过调节光放大器12的输出与偏振控制器42的偏振态，产生预定波长、功率和偏振的泵浦激光；

步骤S32：将所述泵浦激光传输至微纳耦合光纤22，通过三维位移台调节光纤微球谐振腔21与微纳耦合光纤22之间的耦合位置和距离，达到光频梳孤子激发的耦合条件，从而使得孤子光频梳信号在所述光纤微球谐振腔21的表面产生并由所述微纳耦合光纤22输出；

步骤S33：将孤子光频梳信号输入一分三的光纤耦合器31，其中第一路输出进入可 调斜边滤波器32，调节可调斜边滤波器32的参数，将所述可调斜边滤波器32的输出光信号 传输至第一探测器33，第一探测器33输出对应的电信号至控制器42，所述控制器42通过调 谐窄线宽泵浦激光源的输出功率，改变光纤微球谐振腔21的温度，以调谐输出的孤子光频 梳波长，监测第一探测器33中信号大小，根据信号与波长的映射关系，判断孤子光频梳的波 长

步骤S34：在孤子光频梳信号稳定之后，将所述孤子光频梳信号输入至所述光纤耦合器31中，其中，第二路输出进入第二探测器34后分成两路电信号输出至示波器35和频谱仪36，以进行时域测量和频域测量，第三路输出进入光谱仪37，以进行光谱测量。

其中，在步骤S33的具体实施中，分为调谐模式和稳定模式。

调谐模式：孤子光频梳信号通过一分三的光纤耦合器31进入可调斜边滤波器32。 调节可调斜边滤波器32参数，使其通带覆盖一个光梳齿，且输出特性为

稳定模式：孤子频率梳受环境温度影响，会出现输出不稳定的情况，因此，需要进行稳定控制。根据第一探测器33的输入信号时域波动稳定情况，反馈控制器42，精密控制窄带宽泵浦光源的输出功率，直到第一探测器33的输入信号时域波动稳定在设定阈值之间，保证孤子态光频梳输出的稳定。

其余步骤的具体实施可由实施例1对于基于特种掺杂光纤的可调光频梳调谐系统的描述中得到，此处不作赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。