倍频程光频梳产生系统

技术领域

本发明涉及半导体光电子学、微波光子学和非线性光学技术领域，尤其涉及一种倍频程光频梳产生系统。

背景技术

光学频率梳(简称光频梳)是在频域为具有等频率间隔梳齿的锁模激光，在时域为具有固定重复频率的脉冲光。一个稳定的光频梳将光波与微波有效地联系起来，可以直接测量激光频率，在光频精密测量、光钟、光谱学、分子识别和高精度精密测量等领域都有着重要的作用。在通信方面，光频梳可以作为波分复用中的多波长光源，每一根梳齿可以作为一个数据通道。在微波光子方面，由于梳线之间的拍频可以产生微波，可以实现射频处理技术，比如微波光子滤波器。光频梳源于锁模激光器，其重复频率在兆赫兹量级，当扩展至吉赫兹时须缩短腔长，较难实现。而高重复频率(10-100GHz)的光频梳具有单个梳齿能量高且易分辨的优势。目前电光调制法与微腔克尔光频梳均实现了大于10GHz的倍频程光频梳。但是电光调制方案需要级联的铌酸锂调制器，系统插损高且系统更复杂，并且重复频率受限于射频源频率的限制，难以达到百GHz。微腔克尔光频梳可以实现百GHz的重复频率，但是可调谐性差，只能利用材料吸收热光引起折射率变化的效应进行很小范围内的调节，且工艺要求高。而双泵浦光在高非线性光纤中传播时，利用四波混频效应可以实现重复频率大且可调的光频梳。

光纤光频梳的实现通常需要两个商用的可调谐激光器作为泵浦光，系统昂贵且复杂。CN104765218A提出了一种基于单片集成微腔激光器的光频梳，不再需要两个商用可调谐激光器，使系统更加简单。然而当泵浦功率增加到光纤中的布里渊阈值，大部分功率转化为反向斯托克斯光，限制了产生光频梳的带宽。CN107465108A利用非线性光纤环路解决了系统中的布里渊效应的影响，增强了环路中的四波混频效应。但是布里渊光频梳很难进一步扩谱为倍频程光频梳，限制了其在高精度精密测量领域的应用。

为了实现光频梳的广泛应用，有必要提出一种系统简单的倍频程光频梳系统，来更好地应用于光频精密测量、光钟等领域。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种倍频程光频梳产生系统。

本发明提供的倍频程光频梳产生系统，包括双泵浦布里渊环路子系统和非线性光纤扩谱子系统。

其中，双泵浦布里渊环路子系统，包括微腔激光器101、光纤环形器102、第一高非线性光纤103和光分束器104，微腔激光器101用于发射双模激光光束，作为光频梳产生的种子光；光纤环形器102用于顺时针传输第一高非线性光纤103产生的布里渊光频梳，光纤环形器102将双模激光光束和布里渊光频梳分别传输至第一高非线性光纤103和光分束器104；第一高非线性光纤103用于对输入光束提供布里渊增益与参量增益，以产生布里渊光频梳；光分束器104用于将输入光束分为第一束光和第二束光，第一束光输出第一高非线性光纤103形成布里渊环路，第二束光传输至非线性光纤扩谱子系统。

非线性光纤扩谱子系统，包括光纤光栅105、色散补偿光纤106、第一光纤放大器107和第二高非线性光纤108，光纤光栅105用于将输入的布里渊光频梳以窄脉冲输出；色散补偿光纤106用于对输入的窄脉冲进行预啁啾；第一光纤放大器107用于放大经过色散补偿光纤106后的光功率，以达到第二高非线性光纤108所需的脉冲峰值功率；第二高非线性光纤108用于将输入光束进行非线性光谱展宽，以产生倍频程光频梳。

可选地，光纤环形器102为三端口环形器，按照顺时针方向依次设置有第一端口、第二端口和第三端口；第一端口输入双模激光光束，第二端口连接第一高非线性光纤103，第三端口连接光分束器104。

可选地，光分束器104还用于将输入光束按照预设分束比例分为第一束光和第二束光。

可选地，倍频程光频梳产生系统还包括：第二光纤放大器，设置于微腔激光器101与光纤环形器102之间，第二光纤放大器用于放大双模激光光束，以达到第一高非线性光纤103中的布里渊光频梳产生所需的功率。

可选地，倍频程光频梳产生系统还包括：偏振控制器，设置于第一高非线性光纤103与光分束器104之间，偏振控制器用于调节布里渊环路中泵浦波和斯托克斯波的偏振状态。

可选地，光纤光栅105为两个级联光纤光栅，光纤光栅105的透射光输入至色散补偿光纤106。

可选地，微腔激光器101包括电注入半导体微腔激光器，通过施加不同的注入电流实现间隔可调的双模激射；微腔激光器101的腔体形状包括正方形、弧边四边形或六边形。

可选地，微腔激光器101包括耦合腔双波长激光器，耦合腔双波长激光器包括双圆耦合腔激光器或双正方形耦合腔激光器。

可选地，微腔激光器101发射的双模激光光束通过锥形单模光纤耦合输出至光纤环形器102。

可选地，倍频程光频梳产生系统还包括：光谱仪，连接于第二高非线性光纤108的输出端，光谱仪用于供用户监测产生的光频梳的光谱。

本发明提供的倍频程光频梳产生系统，至少具有以下有益效果：

(1)利用光纤光栅将双泵浦布里渊环路产生的连续波压缩为时域窄脉冲，从而可以进行后续的色散补偿和非线性扩谱，解决了布里渊光频梳无法进一步扩谱的问题。与使用空间光调制器相比，本发明无需复杂的编程控制，以一种更加简单实用的方式便可实现光谱整形；

(2)通过合理优化色散补偿光纤的长度，解决了光纤放大器导致输入窄脉冲波形畸变的问题，有利于进一步扩谱为倍频程光频梳；

(3)微腔激光器具有模式体积小、品质因子高、功耗低等特点，作为倍频程光频梳的种子光，在腔体上施加直流电流实现双模激射，不再需要两个商用可调谐激光器，实现了小型化，低功耗，可调谐的倍频程光频梳产生系统；

(4)利用压窄脉冲和色散补偿原理，在布里渊光频梳后仅需要一级扩谱即可获得光谱宽度在1100nm～2200nm的倍频程光频梳，实验系统简单且重复频率可调，可用于光频精密测量、光钟以及高精度精密测量领域。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了本发明实施例的倍频程光频梳产生系统的结构图；

图2示意性示出了本发明一实施例的微腔激光器注入电流为24mA时的激射光谱；

图3示意性示出了本发明一实施例的分束器一端即布里渊环路输出的光谱；

图4示意性示出了本发明一实施例的一个光纤光栅和两个级联光纤光栅的透射特性；

图5示意性示出了本发明一实施例的布里渊光频梳经过两个级联光纤光栅的透射光谱；

图6示意性示出了本发明一实施例的布里渊环路输出和光纤光栅后的时域脉冲对比图；

图7示意性示出了本发明一实施例的色散补偿前后的时域脉冲对比图；

图8示意性示出了本发明一实施例的高非线性光纤扩谱得到的倍频程光频梳光谱图。

【附图标记说明】

101-微腔激光器；102-光纤环形器；103-第一高非线性光纤；104-光分束器；105-光纤光栅；106-色散补偿光纤；107-第一光纤放大器；108-第二高非线性光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了本发明实施例的倍频程光频梳产生系统的结构图。

如图1所示，根据本发明实施例的倍频程光频梳产生系统包括两个子系统，也即双泵浦布里渊环路子系统和非线性光纤扩谱子系统。

双泵浦布里渊环路子系统包括微腔激光器101、光纤环形器102、第一高非线性光纤103和光分束器104。其中，微腔激光器101用于发射双模激光光束，作为光频梳产生的种子光；光纤环形器102用于顺时针传输第一高非线性光纤103产生的布里渊光频梳，光纤环形器102将双模激光光束和布里渊光频梳分别传输至第一高非线性光纤103和光分束器104；第一高非线性光纤103用于对输入光束提供布里渊增益与参量增益，以产生布里渊光频梳；光分束器104用于将输入光束分为第一束光和第二束光，第一束光输出第一高非线性光纤103形成布里渊环路，第二束光传输至非线性光纤扩谱子系统。

非线性光纤扩谱子系统包括光纤光栅105、色散补偿光纤106、第一光纤放大器107和第二高非线性光纤108。其中，光纤光栅105用于将输入的布里渊光频梳以窄脉冲输出；色散补偿光纤106用于对输入的窄脉冲进行预啁啾；第一光纤放大器107用于放大经过色散补偿光纤106后的光功率，以达到第二高非线性光纤108所需的脉冲峰值功率；第二高非线性光纤108用于将输入光束进行非线性光谱展宽，以产生倍频程光频梳。

通过本发明的实施例，双泵浦布里渊环路子系统可以产生布里渊光频梳，非线性光纤扩谱子系统利用光纤光栅和色散补偿光纤实现脉冲压窄，获得百飞秒量级的窄脉冲。光纤光栅用于抑制布里渊光频梳中的两个泵浦光，相较于空间光调制器滤波更加简单实用。色散补偿光纤用于脉冲整形，光纤放大器提高进入高非线性光纤二的脉冲峰值功率，第二高非线性光纤利用自相位调制和四波混频效应进行扩谱。本发明利用色散补偿与脉冲压窄技术解决了双泵浦布里渊光频梳脉冲能量低的问题，可实现高重频(20GHz-50GHz)的倍频程光频梳。

具体来说，光纤光栅105的中心波长位于泵浦光处，将布里渊光频梳的两个泵浦光进行抑制，压窄时域脉冲，以实现窄脉冲输出，有利于后续的色散补偿和非线性光谱展宽。色散补偿光纤106通过优化其长度进行色散补偿和脉冲整形，使窄脉冲在第一光纤放大器107内的波形不发生畸变，有效解决窄脉冲进入第一光纤放大器107内波形畸变的问题。第一光纤放大器107可以提高进入第二高非线性光纤108的脉冲峰值功率，满足在第二高非线性光纤108中扩谱为倍频程光频梳的要求。第二高非线性光纤108作为非线性介质，具有高的非线性系数和低的群速度色散系数，可以利用四波混频效应和自相位调制效应进行非线性光谱展宽，从而实现倍频程光频梳。

本发明实施例中，光纤环形器102可以为三端口环形器，按照顺时针方向依次设置有第一端口、第二端口和第三端口。第一端口输入双模激光光束，第二端口连接第一高非线性光纤103，第三端口连接光分束器104。

具体地，光分束器104还用于将输入光束按照预设分束比例分为第一束光和第二束光。该预设分束比例例如可以为9∶1，也即光分束器104可以将光纤环形器102第三端口输出的光按照9∶1分成两部分，其中90％端接第一高非线性光纤103形成布里渊环路，10％端接非线性光纤扩谱子系统。

本发明实施例中，倍频程光频梳产生系统还可以包括：第二光纤放大器，设置于微腔激光器101与光纤环形器102之间，第二光纤放大器用于放大双模激光光束，以达到第一高非线性光纤103中的布里渊光频梳产生所需的功率。

本发明实施例中，倍频程光频梳产生系统还可以包括：偏振控制器，设置于第一高非线性光纤103与光分束器104之间，偏振控制器用于调节布里渊环路中泵浦波和斯托克斯波的偏振状态，以获得最大的布里渊增益。

本发明实施例中，光纤光栅105为两个级联光纤光栅，光纤光栅105的透射光输入至色散补偿光纤106。由此，本实施例的倍频程光频梳产生系统根据布里渊光频梳中泵浦光与四波混频频率分量的强度差，采用两个级联光纤光栅，来有效抑制泵浦光，实现时域脉冲整形。与使用空间光调制器相比，本发明实施例无需复杂的编程控制，以一种更加简单实用的方式便可实现光谱整形。

本发明实施例中，微腔激光器101可以包括电注入半导体微腔激光器，通过施加不同的注入电流实现间隔可调的双模激射。由此可见，本技术方案可以通过改变微腔激光器101的注入电流，来改变激光器激射的双模间隔，从而实现重复频率可调谐的倍频程光频梳。

具体来说，微腔激光器101的腔体形状可以包括正方形、弧边四边形或六边形。需要说明的是，在其他实施例中，微腔激光器101还可以采用其他微腔形状，来实现更大范围的重复频率可调谐。

本发明实施例中，微腔激光器101还可以包括耦合腔双波长激光器，耦合腔双波长激光器包括双圆耦合腔激光器或双正方形耦合腔激光器。由此，微腔激光器101可以通过改变两个耦合腔的注入电流调谐双波长的间隔，实现重复频率的可调。

本发明实施例中，微腔激光器101发射的双模激光光束通过锥形单模光纤耦合输出至光纤环形器102。

此外，该倍频程光频梳产生系统还可以采用其他光学设备来接收或监测产生的倍频程光频梳的特性。例如，在一些实施例中，该倍频程光频梳产生系统还可以包括光谱仪，连接于第二高非线性光纤108的输出端，光谱仪用于供用户监测产生的光频梳的光谱。

基于上述公开的技术方案，本发明实施例的非线性光纤扩谱子系统的工作原理如下：

光纤光栅105的作用在于压窄双泵浦布里渊环路产生的时域脉冲。由于布里渊光频梳中泵浦光较强，与新产生的频率成分存在很大的功率差，导致时域脉冲呈现连续波的形式。利用光纤光栅105反射泵浦波长处的光，抑制泵浦光实现脉冲压窄，有利于后续的色散补偿和非线性光谱展宽。为了对脉冲进行功率放大，利用色散补偿光纤106对输入的脉冲进行预啁啾。由于窄脉冲进入第一光纤放大器107内会发生非线性效应，并且第一光纤放大器107内的单模光纤具有反常色散，进而导致输入脉冲波形的畸变，需要合理优化色散补偿光纤106的长度进行色散补偿和脉冲整形。之后，经过第一光纤放大器107放大输入脉冲，增加脉冲峰值功率满足实现倍频程光频梳的要求。

以下将基于图1的结构，通过图2～图8以一具体实施例对倍频程光频梳产生系统的元件结构进行详细描述。

本发明一实施例中，微腔激光器101为正方形激光器，边长为30μm，波导宽度为2.5μm。

本发明一实施例中，光纤光栅105为两个级联光纤光栅，光纤光栅105的中心波长位于1550nm，滤波带宽＞2nm，反射率＞99％。根据布里渊光频梳中的梳齿强度差，本发明一实施例的光纤光栅105采用两个级联光纤光栅，来有效抑制泵浦光。

本发明一实施例中，色散补偿光纤106在1525nm-1575nm范围内均为正常色散，色散系数比标准单模光纤大，1550nm处的色散系数为-140ps/nm/km，只需5m的长度即可满足脉冲的色散补偿。

本发明一实施例中，微腔激光器101之后还连接有第二光纤放大器，用于放大光信号，达到高非线性光纤103中布里渊光频梳产生所需要的功率。

本发明一实施例中，第二高非线性光纤108之后还连接有光谱仪和光脉冲分析仪，其中，光谱仪用来监测频域的结果，光脉冲分析仪用来获取时域的脉冲信息。

以上只是示例性说明，本发明实施例不限于此。例如，微腔激光器101、光纤环形器102、第一高非线性光纤103、光分束器104、光纤光栅105、色散补偿光纤106、第一光纤放大器107和第二高非线性光纤108均通过标准单模光纤相互连接。

图2示意性示出了本发明一实施例的微腔激光器注入电流为24mA时的激射光谱。

如图2所示，在一些实施例中，微腔激光器101注入电流为24mA时的激射光谱，实现了双模激射，激射波长分别在1550.0nm和1550.3nm，双模间隔为0.3nm，对应频率间隔为38GHz。由此可见，本实施例的微腔激光器101可以通过注入电流实现双模激射。

图3示意性示出了本发明一实施例的分束器一端即布里渊环路输出的光谱。

如图3所示，当功率为640mW的双泵浦光进入120m的布里渊环路内产生的宽度50nm的布里渊光频梳光谱。但是由于布里渊光频梳的双泵浦光与新产生的频率具有22dB的强度差，因此光脉冲宽度较宽，不利于在后续扩谱中产生倍频程光频梳。

图4示意性示出了本发明一实施例的一个光纤光栅和两个级联光纤光栅的透射特性。

如图4所示，一个光纤光栅和两个级联光纤光栅的透射特性。利用宽谱光源进入光纤光栅105中测试其透射特性。图中虚线部分为不经过光纤光栅时的宽谱光源光谱，点划线部分为经过一个光纤光栅的透射谱，将1550nm处的光衰减了20dB，滤波带宽为2nm。直线部分为经过级联的两个光纤光栅的透射谱，光源衰减值增加到了30dB。由于布里渊光频梳中泵浦光与四波混频频率分量的强度差约为22dB，因此本实施例采用两个级联光纤光栅，可以抑制泵浦光。

图5示意性示出了本发明一实施例的布里渊光频梳经过两个级联光纤光栅的透射光谱。

如图5所示，布里渊光频梳经过光纤光栅105后的透射谱。在布里渊环路后连接中心波长1550nm的光纤光栅105，利用光纤光栅105的反射特性抑制泵浦光，梳齿间强度差减小，解决了布里渊光频梳后续无法扩谱的问题。

图6示意性示出了本发明一实施例的布里渊环路输出和光纤光栅后的时域脉冲对比图。

如图6所示，布里渊环路输出和光纤光栅105输出的时域脉冲结果对比。布里渊环路输出为连续光，基座很大；而经过光纤光栅后，脉冲被明显压窄，且基座减小，利于后续色散补偿和非线性扩谱。

图7示意性示出了本发明一实施例的色散补偿前后的时域脉冲对比图。

如图7所示，为利用色散补偿光纤进行脉冲整形前后的对比图。色散补偿光纤106进行预啁啾，经过第一光纤放大器107将脉冲的平均功率放大到316mW，产生脉冲宽度为494fs的窄脉冲且基座进一步减小。

图8示意性示出了本发明一实施例的高非线性光纤扩谱得到的倍频程光频梳光谱图。

如图8所示，脉宽494fs的窄脉冲泵浦20m的高非线性光纤进行扩谱，得到的光频梳光谱。可以看到光谱范围为1100nm-2200nm，实现了倍频程光频梳。其中将第一光纤放大器107的放大功率继续增加或者第二高非线性光纤108的长度进行加长，可以实现具有更宽光谱的光频梳。

综上所述，本发明实施例提供了一种倍频程光频梳产生系统，利用色散补偿与脉冲压窄技术将双泵浦布里渊环路子系统产生的光频梳扩展至了倍频程光频梳。光纤光栅用于抑制布里渊光频梳中的两个泵浦光，相较于空间光调制器滤波更加简单实用。色散补偿光纤用于脉冲整形，光纤放大器提高进入高非线性光纤二的脉冲峰值功率，第二高非线性光纤利用自相位调制和四波混频效应进行扩谱。由此，本发明实施例利用色散补偿与脉冲压窄技术解决了双泵浦布里渊光频梳脉冲能量低的问题，可实现高重频(20GHz-50GHz)的倍频程光频梳。

需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。