專利名稱：一種實現(xiàn)多頻光梳的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光梳領域，尤其涉及一種實現(xiàn)多頻光梳的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
光梳是在光波的頻率范圍內(nèi)的一系列具有固定頻率差的頻率分量構成的光信號。 雙頻光梳(Dual-comb)或多頻光梳(Multi-comb)則是由在一定光譜范圍內(nèi)存在的兩個或兩個以上具有接近但不同的頻率差的光梳構成的。多頻光梳系統(tǒng)需要能夠以單路或兩路以上輸出多頻光梳。多頻光梳具有應用于頻譜檢測、傳感探測等多個領域的前景。目前光梳系統(tǒng)經(jīng)常是通過一個鎖模脈沖激光器產(chǎn)生的，包括鉺纖飛秒激光器、鐿纖飛秒激光器、鈦寶石固體激光器和Gr = ZnSe固體激光器等。由于鎖模脈沖可以產(chǎn)生具有非常準確的周期性的短脈沖序列，該脈沖序列的光譜則是由具有頻率差等于脈沖序列的重復頻率的光梳構成的。目前，已經(jīng)提出和實現(xiàn)的多頻光梳系統(tǒng)都是通過采用多個鎖模脈沖激光器產(chǎn)生的。為了實現(xiàn)不同的頻率差，目前的技術都是通過鎖定并精細調(diào)節(jié)和實時反饋控制兩個或更多的相似但腔長略有不同的鎖模脈沖激光器來實現(xiàn)的。美國國家標準與技術研究院的Coddington等、臺灣的Liu等使用兩個摻鉺光纖飛秒激光器產(chǎn)生了雙頻光梳?？邓固勾拇髮W的Bartels等使用兩個鈦寶石飛秒激光器產(chǎn)生了雙頻光梳。由于使用多個鎖模激光器，系統(tǒng)的成本非常昂貴。同時為了在兩個激光器間實現(xiàn)相對于脈沖重復頻率低很多的微小且穩(wěn)定的頻率差，常常需要非常精準的反饋控制電路，使得系統(tǒng)更加復雜、成本更高、設備體積大且對腔長漂移等比較敏感，目前只能在高端實驗室中進行實驗演示，不利于系統(tǒng)的實際應用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種生成多頻光梳的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種生成多頻光梳的方法，包括步驟1，脈沖激光器輸出兩個及兩個以上具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列，光譜中相鄰的不同中心波長的光脈沖序列的半高全寬的最大值小于其中心波長之差;步驟2，將脈沖激光器輸出的具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列經(jīng)過非線性光學過程，使得光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊，從而在光譜交疊的波長區(qū)域內(nèi)具有兩種以上不同重復頻率的光梳。在一個示例中，步驟2中將具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列一起同時經(jīng)過相同的能夠產(chǎn)生非線性光學過程的元件，發(fā)生光譜展寬，使得展寬后第一光脈沖序列的光譜和第二光脈沖序列的光譜交疊。在一個示例中，步驟2又進一步分為
步驟21，分光器件將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，第一光脈沖序列的中心波長為第一波長，第一光脈沖序列的重復頻率為第一頻率，第二光脈沖序列的中心波長為第二波長，第二光脈沖序列的重復頻率為第二頻率；步驟22，被分開的第一光脈沖序列和/或第二光脈沖序列分別經(jīng)過非線性光學過程，發(fā)生光譜展寬，使得展寬后第一光脈沖序列的光譜和第二光脈沖序列的光譜交疊。在一個示例中，非線性光學過程為基于四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、受激拉曼散射效應或其不同組合的非線性光學過程。本發(fā)明提供了一種多頻光梳系統(tǒng)，包括一個脈沖激光器，輸出兩種以上具有不同中心波長的光脈沖序列，光譜中相鄰的不同中心波長的光脈沖序列的半高全寬的最大值小于其中心波長之差，脈沖激光器的激光腔內(nèi)的平均群速度對不同的輸出中心波長不相同，從而不同中心波長的光脈沖序列的重復頻率不同；脈沖激光器輸出的光脈沖序列經(jīng)過非線性光學系統(tǒng)，使得光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的
光譜產(chǎn)生交疊。在一個示例中，非線性光學系統(tǒng)包括非線性光學元件，用于光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊。在一個示例中，非線性光學系統(tǒng)包括分光器件，用于將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為多個光脈沖序列。各光脈沖序列的中心波長不同，光譜的半高全寬小于相鄰中心波長之差；非線性光學元件，用于光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊。在一個示例中，脈沖激光器的腔型結構為線型腔、折疊腔、環(huán)形腔和“8”字形腔。在一個示例中，脈沖激光器為主動鎖模激光器、被動鎖模激光器或混合鎖模激光器。在一個示例中，非線性光學元件為單模傳輸光纖、高非線性光纖、增益光纖、光子晶體光纖或非線性光學集成波導。在一個例中，分光器件為光纖稱合器、分束棱鏡、分束片、濾光片、帶通濾波器或波分復用器。本發(fā)明能夠利用一個多波長脈沖激光器，通過設計和實現(xiàn)激光器腔內(nèi)的不同波長信號間的群速度的差別，實現(xiàn)具有不同重復頻率、不同中心波長的脈沖序列的輸出，但具有不同中心波長上的脈沖序列的頻譜分量基本處于不同的波長范圍，交疊很小。通過利用四波混頻、自相位調(diào)制、互相位調(diào)制、受激拉曼散射等非線性光學效應來展寬脈沖序列的光譜，則能夠在光譜上交疊的區(qū)域上產(chǎn)生具有不同頻率差的光梳。本發(fā)明涉及的方法和系統(tǒng)僅需一個激光器，成本低，體積小，產(chǎn)生的光梳的頻差由激光器腔內(nèi)的群速度色散決定，受腔長漂移變化的影響小，更容易實際應用。該方法和系統(tǒng)產(chǎn)生的光梳也可以通過現(xiàn)有的光梳技術進行頻率鎖定，而廣生更加穩(wěn)定的光梳。


下面結合附圖來對本發(fā)明作進一步詳細說明，其中圖I是多頻光梳的一種系統(tǒng)結構圖，多波長脈沖激光器輸出的具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列，經(jīng)過非線性光學系統(tǒng)后，光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊，從而在光譜交疊的波長區(qū)域內(nèi)具有兩種或兩種以上不同重復頻率的光梳。圖2是多頻光梳的另一種系統(tǒng)結構圖，多波長脈沖激光器輸出具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列，經(jīng)過分光器件后，分為中心波長和頻率都不相同的兩個光脈沖序列，兩路信號中至少一路經(jīng)過非線性光學元件，使得該路信號的光譜得到展寬，展寬后兩個光脈沖序列的光譜交疊。圖3是多波長脈沖激光器的系統(tǒng)結構圖；圖4是采用多波長脈沖激光器實現(xiàn)多頻光梳的系統(tǒng)結構圖；圖5是多波長脈沖激光器輸出光譜圖；圖6是多波長脈沖激光器輸出經(jīng)過光電變換后的信號的頻譜圖；圖7是多波長脈沖激光器輸出光經(jīng)過濾波器后輸出的中心波長為1535nm的光脈沖的光譜圖；圖8是多波長脈沖激光器輸出光經(jīng)過濾波器后輸出的中心波長為1557nm的光脈沖的光譜圖；圖9是將中心波長為1557nm的光脈沖經(jīng)過光放大器和單模傳輸光纖,進行功率放大和光譜展寬后的光譜圖；圖10是光譜展寬后的原中心波長為1557nm的光脈沖經(jīng)過通帶為1528nm_1536nm 的帶通濾波器后輸出光的光譜圖；圖11是多波長脈沖激光器的輸出放大器和單模傳輸光纖進行功率放大和光譜展寬后的光譜圖；圖12是多波長脈沖激光器的輸出經(jīng)放大器和傳輸光纖后的實現(xiàn)多頻光梳的經(jīng)過光電變換后的信號的頻譜具體實施例方式實例一本實例中使用的多波長鎖模激光器通過控制腔內(nèi)的損耗來調(diào)諧腔內(nèi)增益特性， 使得不同波長處的增益相同，進而實現(xiàn)多波長的脈沖激光輸出。激光器的結構如圖3所示，激光器為采用環(huán)形腔結構的光纖被動鎖模激光器。泵浦光源為波長1480nm的半導體激光器303，所發(fā)出的泵浦光經(jīng)過1480/1550波分復用器302耦合進入5米長的摻鉺光纖 (EDF)301。該EDF在1530nm的吸收系數(shù)是6. ldB/m。EDF連接光隔離器308，保證光在光纖腔內(nèi)單向傳播。腔內(nèi)加入偏振控制器306來控制偏振態(tài)。腔內(nèi)的鎖模器件為碳納米管/聚酰亞胺薄膜303，薄膜厚度為40微米，夾入FC/PC接頭后的損耗約為3. 5dB，腔內(nèi)普通單模光纖304的總長度是6. lm。80/20的光纖耦合器307將腔內(nèi)20%的激光輸出到腔外，80% 的激光返回腔內(nèi)。腔內(nèi)的損耗使得EDF在1530和1560nm附近具有兩個增益峰，滿足雙波長產(chǎn)生的條件。實現(xiàn)雙波長鎖模的中心波長分別為1535nm及1557nm，得到的光譜如圖5所示。使用快速光電探測器和頻譜儀檢測輸出脈沖的頻譜圖，如圖6所示。由于在光纖腔中光纖等器件存在的色散，兩個波長的群速度不同，所以這兩個不同波長的光脈沖序列的重復頻率(即光梳的頻率差)也不同。從頻譜圖中可以看到，1535nm波長脈沖的重復頻率是14. 489145MHz，而1557nm波長脈沖的重復頻率&是14. 488649MHz，頻率差Af為496Hz。 雙波長激光器401的輸出經(jīng)光纖放大器402放大后，被分光濾波器件403在兩個輸出端口分別濾出中心波長分別為1535nm和1557nm的兩個脈沖序列，其光譜圖分別如圖7和圖8 所不。1557nm的光脈沖序列經(jīng)過光纖放大器404及單模傳輸光纖405,利用增益光纖和單模傳輸光纖中的三階非線性效應(自相位調(diào)制、四波混頻等)實現(xiàn)光譜展寬，光譜如圖9所示。經(jīng)濾波器濾波406后，1535nm附近的光譜分量如圖10所示。從而該系統(tǒng)在1535nm附近波長范圍內(nèi)同時實現(xiàn)了兩路具有不同頻率差的光梳輸出。系統(tǒng)中的光放大器的作用是放大光信號，使其能夠通過非線性效應使展寬后的光譜能夠與另外一路信號的光譜產(chǎn)生交疊，但光放大器不是必須的，特別是對于光信號在放大前就足以使光譜產(chǎn)生交疊的情況。實例二本實例采用與實例一相同的多波長鎖模激光器。其輸出直接經(jīng)過放大器及單模傳輸光纖，利用增益光纖和單模傳輸光纖中的三階非線性效應(自相位調(diào)制、四波混頻等)， 使得光脈沖序列中的不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊，從而在光譜交疊的波長區(qū)域內(nèi)具有兩種不同頻率差的光梳，其展寬后的光譜如圖11所示，光譜交疊區(qū)域的信號經(jīng)光電轉換后的頻譜如圖12所示， 可以看出系統(tǒng)同時實現(xiàn)了具有不同頻率差的光梳輸出。系統(tǒng)中的光放大器的作用是放大光信號，使其能夠通過非線性效應使展寬后的光譜產(chǎn)生交疊，光放大器不是必須的，特別是如果光信號在放大前就足以使光譜產(chǎn)生交疊。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明保護范圍并不局限于此。任何本領域的技術人員在本發(fā)明公開的技術范圍內(nèi)，均可對其進行適當?shù)母淖兓蜃兓@種改變或變化都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1. 一種實現(xiàn)多頻光梳的方法，其特征在于，包括步驟1，脈沖激光器輸出兩個及兩個以上具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列，光譜中相鄰的不同中心波長的光脈沖序列的半高全寬的最大值小于其中心波長之步驟2，將脈沖激光器輸出的具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列經(jīng)過非線性光學過程，使得光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊，從而在光譜交疊的波長區(qū)域內(nèi)具有兩種以上不同重復頻率的光梳。
2.如權利要求I所述的多頻光梳的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述步驟2中具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列一起同時經(jīng)過相同的能夠產(chǎn)生非線性光學過程的元件， 發(fā)生光譜展寬，使得展寬后第一光脈沖序列的光譜和第二光脈沖序列的光譜交疊。
3.如權利要求I所述的實現(xiàn)多頻光梳的方法，其特征在于，所述步驟2又進一步分為 步驟21，分光器件將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為第一光脈沖序列和第二光脈沖序列，第一光脈沖序列的中心波長為第一波長，第一光脈沖序列的重復頻率為第一頻率，第二光脈沖序列的中心波長為第二波長，第二光脈沖序列的重復頻率為第二頻率；步驟22，被分開的第一光脈沖序列和/或第二光脈沖序列分別經(jīng)過非線性光學過程， 發(fā)生光譜展寬，使得展寬后第一光脈沖序列的光譜和第二光脈沖序列的光譜交疊。
4.如權利要求I所述的多頻光梳的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述非線性光學過程為基于四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、受激拉曼散射效應或其不同組合的非線性光學過程。
5.—種多頻光梳系統(tǒng),其特征在于,包括一個脈沖激光器，輸出兩種以上具有不同中心波長的光脈沖序列，光譜中相鄰的不同中心波長的光脈沖序列的半高全寬的最大值小于其中心波長之差，脈沖激光器的激光腔內(nèi)的平均群速度對不同的輸出中心波長不相同，從而不同中心波長的光脈沖序列的重復頻率不同；脈沖激光器輸出的光脈沖序列經(jīng)過非線性光學系統(tǒng)，使得光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊。
6.如權利要求5所述的多頻光梳系統(tǒng)，其特征在于，非線性光學系統(tǒng)包括非線性光學元件，用于光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊。
7.如權利要求5所述的多頻光梳系統(tǒng)，其特征在于，非線性光學系統(tǒng)包括分光器件，用于將脈沖激光器輸出的光脈沖序列分為多個光脈沖序列。各光脈沖序列的中心波長不同，光譜的半高全寬小于相鄰中心波長之差；非線性光學元件，用于光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得展寬后不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊。
8.如權利要求5所述的多頻光梳系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖激光器為主動鎖模激光器、被動鎖模激光器或混合鎖模激光器。
9.如權利要求6和7所述的多頻光梳系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性光學元件為單模傳輸光纖、高非線性光纖、增益光纖、光子晶體光纖或非線性光學集成波導。
10.如權利要求7所述的多頻光梳系統(tǒng)，其特征在于，所述分光器件為光纖耦合器、分束棱鏡、分束片、濾光片、帶通濾波器或波分復用器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)多頻光梳的方法和系統(tǒng)。該多頻光梳的實現(xiàn)方法包括步驟1，脈沖激光器輸出兩個或兩個以上具有不同中心波長和不同重復頻率的光脈沖序列，光譜中相鄰的不同中心波長的光脈沖序列的半高全寬的最大值小于其中心波長之差；步驟2，將上述脈沖激光器輸出的光脈沖序列經(jīng)過非線性光學過程，使得光脈沖序列中的一個或多個不同中心波長的光脈沖序列發(fā)生光譜展寬，使得不同中心波長的光脈沖序列的光譜產(chǎn)生交疊，從而在光譜交疊的波長區(qū)域內(nèi)具有兩個或更多個不同重復頻率的光梳。本發(fā)明能夠利用一個多波長脈沖激光器生成多頻光梳，系統(tǒng)簡單，成本低，且頻差容易穩(wěn)定。
文檔編號G02F1/35GK102608825SQ201210052680
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權日2012年3月2日
發(fā)明者劉磊, 孫鈺, 趙欣, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學