本發(fā)明涉及一種光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)，具體涉及一種基于微環(huán)諧振腔的雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，更具體的涉及一種自鎖定的基于微環(huán)諧振腔的雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，且兩個(gè)光頻梳在同一個(gè)微環(huán)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生。

背景技術(shù)：

光頻梳是一種離散的、等頻率間距的梳狀光譜。而雙光頻梳是由兩個(gè)頻率間隔略有不同的兩個(gè)光頻梳構(gòu)成，在原子分子光譜學(xué)、任意光信號(hào)特征測(cè)量、納米精度的距離測(cè)量和微波光子學(xué)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

在雙光頻梳光譜測(cè)量中，一個(gè)重頻為f的光頻梳作為信號(hào)，用另一個(gè)重頻為f+δf(δf＜＜f)的光頻梳對(duì)信號(hào)頻梳進(jìn)行采樣，使用數(shù)據(jù)采集卡采集雙光頻梳的時(shí)域信號(hào)，通過(guò)傅立葉變換還原待測(cè)物體的頻域信息。為避免射頻譜的交疊，光頻梳的帶寬需要滿足δv≤f²/2δf，此時(shí)有效的采樣時(shí)域步長(zhǎng)為δf/f²，最小的采樣時(shí)間為1/δf。因此提升光頻梳的重頻并適當(dāng)?shù)脑黾觾蓚€(gè)光頻梳的重頻差，可以有效的提升雙光頻梳光譜測(cè)量的精度和速度。

傳統(tǒng)上雙光頻梳由兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的飛秒鎖模激光器或兩個(gè)頻率相互鎖定的超短脈沖鎖模激光器產(chǎn)生。兩個(gè)鎖模激光器的激光腔長(zhǎng)度存在微小的差別，使兩個(gè)鎖模激光器具有不同的重復(fù)頻率。在頻域上，相鄰的兩個(gè)頻梳梳齒之間存在精確確定的頻率差，用光電探測(cè)器探測(cè)后得到頻率間隔為δf的射頻頻梳，從而將信號(hào)的頻率從光頻轉(zhuǎn)換到射頻域，易于使用現(xiàn)有的電學(xué)設(shè)備(如示波器、頻譜儀、數(shù)據(jù)采集卡等)進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)。其測(cè)量精度相對(duì)于傳統(tǒng)傅立葉光譜分析儀具有更高的測(cè)量精度、靈明度和測(cè)量速度，因此雙光頻梳測(cè)量近年來(lái)得到快速的發(fā)展。

基于鎖模激光器的光頻梳受限于激光器腔長(zhǎng)，其重頻通常只有幾mhz到數(shù)十mhz，采用光調(diào)制技術(shù)可以產(chǎn)生頻率間隔為數(shù)十ghz的光頻梳，然而其頻率間隔受限于光電調(diào)制器和射頻信號(hào)發(fā)生器，且隨著頻率的提升，其成本將極劇的增長(zhǎng)，不利于規(guī)?；瘧?yīng)用。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的微腔光頻梳在重頻方面具有先天性優(yōu)勢(shì)，正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光頻梳技術(shù)的不足。已經(jīng)報(bào)道的微腔克爾雙光頻梳都是使用兩個(gè)微環(huán)諧振腔分別產(chǎn)生一個(gè)光頻梳，再將兩個(gè)光頻梳耦合在一起形成光頻梳，此類雙光頻梳需要將兩個(gè)光頻梳的泵浦光進(jìn)行頻率鎖定，且需要同時(shí)穩(wěn)定兩個(gè)微環(huán)的工作環(huán)境，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高及系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，針對(duì)高精度分子光譜分析、微波信號(hào)產(chǎn)生等領(lǐng)域?qū)Ω咧仡l雙光頻梳的需求，本發(fā)明提供了一種基于微環(huán)諧振腔的自鎖定雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)利用了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，使波導(dǎo)的te模式和tm模式具有不同的折射率，從而使微環(huán)諧振腔的兩個(gè)偏振模式具有不同的自由光譜范圍，同時(shí)激勵(lì)兩個(gè)模式，產(chǎn)生兩套具有不同偏振方向和重頻的寬帶光頻梳。通過(guò)正交偏振雙頻梳的分離和偏振旋轉(zhuǎn)，從而得到同偏的超高重頻寬帶光頻梳。

本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于微環(huán)諧振腔的自鎖定雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括環(huán)形諧振腔1及通過(guò)保偏光纖17與環(huán)形諧振腔1相連的雙光頻梳分離系統(tǒng)2；

上述環(huán)形諧振腔1包括通過(guò)腔內(nèi)保偏光纖17連接的光學(xué)放大器11、光隔離器12、第一偏振控制器13、微環(huán)諧振腔14和光學(xué)濾波器16；

上述雙光頻梳分離系統(tǒng)2包括通過(guò)保偏光纖相連接的偏振光分束器21和第二偏振控制器22；

上述微環(huán)諧振腔14為具有四光端口的非線性微環(huán)諧振腔，四光端口分別為drop端口149、through端口147、input端口146及add端口148。

上述微環(huán)諧振腔14的drop端口149通過(guò)保偏光纖與光學(xué)濾波器16連接，through端口147通過(guò)保偏光纖與偏振光分束器21的輸入端連接。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括光纖分束器15，光纖分束器15的輸入端與微環(huán)諧振腔14的drop端口149連接，光纖分束器15的兩個(gè)輸出端口分別與偏振光分束器21和光學(xué)濾波器16的輸入端連接。

優(yōu)選地，上述的微環(huán)諧振腔14包括襯底141、位于襯底141上的第一直波導(dǎo)143、第二直波導(dǎo)144和環(huán)形波導(dǎo)145；上述環(huán)形波導(dǎo)145分別與第一直波導(dǎo)143和第二直波導(dǎo)144通過(guò)倏逝波進(jìn)行耦合；其間距直接影響耦合的強(qiáng)度，進(jìn)而決定微環(huán)諧振腔14的品質(zhì)因子；上述第一直波導(dǎo)143的兩端分別為input端口146和through端口147；上述第二直波導(dǎo)144的兩端分別為drop端口149和add端口148；環(huán)形諧振腔內(nèi)的諧振光信號(hào)從input端口146進(jìn)入環(huán)形波導(dǎo)145，并從drop端口149與through端口147輸出或單獨(dú)從drop端口149輸出。

優(yōu)選地，上述微環(huán)諧振腔14的品質(zhì)因子q＞10⁵，其構(gòu)成微環(huán)諧振腔的波導(dǎo)具有弱負(fù)色散系數(shù)，并且具有較高的非線性系數(shù)。

優(yōu)選地，上述的光學(xué)放大器11、光隔離器12、第一偏振控制器13、微環(huán)諧振腔14、光纖分束器15和光學(xué)濾波器16首尾依次相連。

優(yōu)選地，上述光學(xué)放大器11是摻鉺光纖放大器或鉺鐿共摻光纖放大器；上述光隔離器12是帶尾纖的光隔離器或空間光隔離器；上述第一偏振控制器13是機(jī)械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器；上述光分束器15為垃錐型光纖分束器、平面光波導(dǎo)分束器或空間光分束器；上述的光學(xué)濾波器16為窄帶帶通可調(diào)光學(xué)濾波器或者為窄帶雙波長(zhǎng)可調(diào)光學(xué)濾波器或者為波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)或者為光纖光柵濾波器。

優(yōu)選地，光隔離器采用空間光隔離器，其嵌入基于玻片的偏振控制器中。

優(yōu)選地，上述的第二偏振控制器22是機(jī)械式偏振控制器或者是基于玻片的偏振控制器或者是90度法拉第偏振旋轉(zhuǎn)器。

優(yōu)選地，上述偏振光分束器21包括兩個(gè)輸出端口，上述的第二偏振控制器22位于偏振光分束器21的任一個(gè)輸出端口。

本發(fā)明還提供一種基于微環(huán)諧振腔的自鎖定雙光頻梳產(chǎn)生方法，包括以下步驟：

1)打開(kāi)光學(xué)放大器11，并設(shè)置其輸出功率，產(chǎn)生自發(fā)輻射光信號(hào)；

2)自發(fā)輻射光信號(hào)在環(huán)形諧振腔1內(nèi)單向傳輸，經(jīng)過(guò)微環(huán)諧振腔14形成梳狀光譜；所述梳狀光譜中包括te模式和tm模式的光信號(hào)；

3)調(diào)節(jié)光學(xué)濾波器16的中心波長(zhǎng)和帶寬，使只有微環(huán)諧振腔14的一對(duì)te模式和tm模式的光信號(hào)通過(guò)；

4)增大光學(xué)放大器11的輸出功率，并調(diào)節(jié)第一偏振控制器13使te模式和tm模式的光同時(shí)在環(huán)形諧振腔內(nèi)振蕩形成激光，并使兩個(gè)模式的光強(qiáng)相等；

5)繼續(xù)提升光學(xué)放大器11的輸出功率，當(dāng)環(huán)形諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到微環(huán)諧振腔14光參量振蕩的閾值時(shí)，在微環(huán)諧振腔14內(nèi)將產(chǎn)生光參量振蕩形成光頻梳；

6)進(jìn)一步調(diào)節(jié)第一偏振控制器13使te模式光頻梳和tm模式光頻梳的強(qiáng)度相等；

7)調(diào)節(jié)第二偏振控制器22使環(huán)形諧振腔輸出的兩個(gè)光頻梳具有相同的偏振態(tài)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、使用單個(gè)微環(huán)諧振腔產(chǎn)生雙光頻梳

本發(fā)明利用微環(huán)諧振腔的兩個(gè)偏振模式具有不同的自由光譜范圍的特性，當(dāng)微環(huán)諧振腔的兩個(gè)偏振模式同時(shí)被激勵(lì)，可以產(chǎn)生偏振方向正交的兩個(gè)頻梳。偏振正交的雙光頻梳易于實(shí)現(xiàn)光頻梳的分離和控制。相對(duì)于將兩個(gè)獨(dú)立的基于微環(huán)諧振腔的光頻梳合并為單個(gè)光頻梳的技術(shù)方案，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，目前還沒(méi)有采用單個(gè)微環(huán)諧振腔產(chǎn)生雙光頻梳的報(bào)道。

2、消除了基于微環(huán)諧振腔光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)的自終止現(xiàn)象

本發(fā)明將微環(huán)諧振腔嵌入到閉合的光纖環(huán)形腔中，作為光纖環(huán)形腔的一個(gè)組成部分，微環(huán)諧振腔自身與光學(xué)濾波器一起作為諧振波長(zhǎng)選擇器件，可使產(chǎn)生光頻梳的泵浦光波長(zhǎng)與四端口微環(huán)諧振腔的諧振波長(zhǎng)一致，從而使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自鎖定，因此該光頻梳系統(tǒng)對(duì)溫度和振動(dòng)具有很強(qiáng)的免疫能力，消除了傳統(tǒng)外部諧振注入泵浦光產(chǎn)生光頻梳時(shí)易出現(xiàn)自終止的問(wèn)題。

3、所產(chǎn)生的雙頻梳具有極高重頻

本發(fā)明基于微環(huán)諧振腔產(chǎn)生雙光頻梳，光頻梳的重頻直接由微環(huán)諧振腔的自由光譜范圍決定，因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)微環(huán)諧振腔的長(zhǎng)度，可以得到重頻高達(dá)數(shù)百ghz的光頻梳。此類光頻梳在微波光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有先天性的優(yōu)勢(shì)。并且各個(gè)光頻梳的重頻差可以通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。

4、該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)批量化制作

本發(fā)明系統(tǒng)中的微環(huán)諧振腔由cmos兼容工藝制作，有利于批量化制作；系統(tǒng)中的其它器件皆為通用的光纖器件，都已商業(yè)化，成本非常低廉；該系統(tǒng)有利于系統(tǒng)集成，甚至可以片上集成，符合現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)向小型化和集成化發(fā)展的趨勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為本發(fā)明采用的四端口微環(huán)諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為微環(huán)諧振腔的濾波特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖；

圖4為微環(huán)諧振腔的te模式和tm模式的自由光譜范圍測(cè)試結(jié)果圖；

圖5(a)為實(shí)驗(yàn)得到的正交雙光頻梳光譜圖；

圖5(b)為實(shí)驗(yàn)得到的波長(zhǎng)范圍在1554nm～1562nm的正交雙光頻梳光譜圖；

圖6(a)為實(shí)驗(yàn)得到的光頻梳1的光譜圖；

圖6(b)為實(shí)驗(yàn)得到的光頻梳2的光譜圖。

其中，1-環(huán)形諧振腔；11-光學(xué)放大器；12-光隔離器；13-第一偏振控制器；14-微環(huán)諧振腔；141-襯底；142-包層；143-第一直波導(dǎo)；144-第二直波導(dǎo)；145-環(huán)形波導(dǎo)；146-input端口；147-through端口；148-add端口148；149-drop端口；15-光纖分束器；16-光學(xué)濾波器；17-保偏光纖；

2-雙光頻梳分離系統(tǒng)；21-偏振光分束器；22-第二偏振控制器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

從圖1可以看出，本發(fā)明基于微環(huán)諧振腔的自鎖定雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)包括產(chǎn)生正交雙光頻梳的環(huán)形諧振腔1和雙光頻梳分離系統(tǒng)2兩個(gè)部分。環(huán)形諧振腔1包括依次通過(guò)腔內(nèi)保偏光纖17連接的光學(xué)放大器11、光隔離器12、第一偏振控制器13、微環(huán)諧振腔14、光纖分束器15和光學(xué)濾波器16。圖中各器件是依次連接的，但在具體的實(shí)施過(guò)程中對(duì)各個(gè)器件的前后連接順序沒(méi)有特殊要求。

雙光頻梳分離系統(tǒng)2包括通過(guò)保偏光纖17相連接的偏振光分束器21和第二偏振控制器22。環(huán)形諧振腔1產(chǎn)生的正交雙光頻梳通過(guò)光纖分束器15的一個(gè)輸出端進(jìn)入雙光頻梳分離系統(tǒng)2中的偏振光分束器21。雙光頻梳分離系統(tǒng)2用來(lái)分離兩個(gè)光頻梳，并將其中一個(gè)光頻梳的偏振旋轉(zhuǎn)90度，使兩個(gè)光頻梳具有相同的偏振態(tài)。

上述各光學(xué)組件在本發(fā)明中的作用是：

光學(xué)放大器11為本發(fā)明的正交雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)提供能量，用來(lái)產(chǎn)生偏振正交的兩個(gè)泵浦激光，所產(chǎn)生激光用于泵浦四端口微環(huán)諧振腔14產(chǎn)生光參量振蕩，從而形成光頻梳。

光隔離器12用于保證激光信號(hào)在環(huán)形諧振腔1的環(huán)形腔內(nèi)單向傳輸，形成單向的激光振蕩輸出。光隔離器12可以是帶尾纖的光隔離器或空間光隔離器。

第一偏振控制器13用于調(diào)整光纖環(huán)形腔內(nèi)激光信號(hào)的偏振狀態(tài)，使te模式和tm模式的兩個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)產(chǎn)生激光。同時(shí)第一偏振控制器13還用于調(diào)節(jié)兩個(gè)偏振方向光信號(hào)強(qiáng)度的作用，使產(chǎn)生的兩個(gè)光頻梳具有相同的能量。第一偏振控制器13可以是機(jī)械式偏振控制器或基于玻片的偏振控制器或其它類型的偏振控制器。如果光隔離器選用空間光隔離器，則可以嵌入基于玻片的偏振控制器中。

微環(huán)諧振腔14在該系統(tǒng)中具有四個(gè)作用：首先作為窄帶寬梳狀濾波器，與光學(xué)濾波器16共同選擇激光的諧振波長(zhǎng)；其次其兩個(gè)偏振模式具有不同的自由光譜范圍，用于決定雙光頻梳的重頻與重頻差；再次微環(huán)諧振腔還是產(chǎn)生光參量振蕩的核心器件，雙光頻梳正是在微環(huán)諧振腔14中形成；最后微環(huán)諧振腔14的through端口147還可以直接作為雙光頻梳的輸出端口而取代環(huán)形諧振腔1中的光纖分束器15，與偏振光分束器21直接連接。本實(shí)施例中微環(huán)諧振腔14是一種由高非線性系數(shù)材料制作的具有四光端口的非線性微環(huán)諧振腔，其非線性系數(shù)γ＝110w^-1·km^-1，二階色散系數(shù)β2＝-33.65ps²/km。四端口微環(huán)諧振腔具有高品質(zhì)因子，通常q＞10⁵，本實(shí)施例中為1.45×10⁶。其自由光譜范圍為49ghz，組成微環(huán)諧振腔的所有波導(dǎo)截面尺寸為2μm×3μm。圖3為該微環(huán)諧振腔的濾波特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖。圖4是微環(huán)諧振腔的兩個(gè)模式te模式和tm模式的自由光譜范圍隨波長(zhǎng)的變化圖。由圖2可知四端口微環(huán)諧振腔14包括襯底141、包層142、第一直波導(dǎo)143、第二直波導(dǎo)144和環(huán)形波導(dǎo)145，第一直波導(dǎo)143的兩端分別為input端口146和through端口147，相應(yīng)地，第二直波導(dǎo)144的兩端分別為drop端口149和add端口148。由環(huán)形諧振1振蕩形成的泵浦光從input端口146進(jìn)入微環(huán)諧振腔14，在微環(huán)諧振腔14中形成的光頻梳信號(hào)從其drop端口149與through端口147輸出或單獨(dú)從drop端口149輸出。

光分束器15用于從環(huán)形腔中提取一部分能量作為整個(gè)激光器的輸出，分束器可以為任何形式的光分束器，如光纖垃錐分束器、平面波導(dǎo)分束器等。

光學(xué)濾波器16選擇雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)的泵浦波長(zhǎng)，光學(xué)濾波器16可以是窄帶寬的帶通濾波器，或者窄帶寬雙波長(zhǎng)濾波器或波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)等。

偏振分束器21用于將從環(huán)形諧振腔1輸出的兩個(gè)光頻梳分離開(kāi)來(lái)，其中一路直接作為整個(gè)系統(tǒng)的一路輸出，另一路經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振控制器后輸出。

第二偏振控制器22用于將光信號(hào)的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，使其偏振態(tài)與偏振分束器21另一路輸出的光信號(hào)相同。第二偏振控制器22可以是1/2波片，或者法拉第偏振旋轉(zhuǎn)器或者其它偏振控制器。

保偏光纖17用于連接上述的各光學(xué)器件，同時(shí)保證光信號(hào)的偏振態(tài)在光信號(hào)傳輸過(guò)程中保持不變。

本發(fā)明的具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

設(shè)置光學(xué)放大器的輸出功率，光學(xué)放大器輸出自發(fā)輻射光譜，自發(fā)輻射光信號(hào)在環(huán)形諧振腔內(nèi)單向傳輸，自發(fā)輻射譜經(jīng)過(guò)微環(huán)諧振腔后形成梳狀光譜。此時(shí)調(diào)節(jié)光學(xué)濾波器的中心波長(zhǎng)和帶寬，使只有一對(duì)te模式和tm模式的光信號(hào)通過(guò)，從而只有被光學(xué)濾波器選擇的波長(zhǎng)具有較高增益。隨著光學(xué)放大器增益的增加，被光學(xué)濾波器選擇的波長(zhǎng)形成激光，并作為光頻梳產(chǎn)生的泵浦光，而其它波長(zhǎng)被抑制。繼續(xù)增加光學(xué)放大器的輸出功率，當(dāng)微環(huán)諧振腔內(nèi)的泵浦光能量達(dá)到光參量振蕩閾值后，在微環(huán)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生新的頻譜成分，新產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)微環(huán)諧振腔諧振選擇后形成具有等間隔的梳狀光譜，產(chǎn)生的光頻梳能量隨著光纖放大器輸出功率的增加而增加，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器以均衡兩個(gè)模式光頻梳的能量。當(dāng)光學(xué)放大器的輸出功率達(dá)到1.5w時(shí)，得到的光頻梳如圖5(a)所示，圖5(b)展示了泵浦光附件的光譜細(xì)節(jié)。

通過(guò)上面過(guò)程得到兩個(gè)光頻梳的偏振狀態(tài)彼此正交，為得到同偏振態(tài)的光頻梳，將從光纖分束器輸出的光頻梳輸入到一個(gè)偏振分束器中，兩個(gè)不同偏振態(tài)的光頻梳將分別從偏振分束器的兩個(gè)輸出端輸出。將其中的一個(gè)光頻梳的偏振態(tài)使用偏振控制器旋轉(zhuǎn)90度，從而使兩個(gè)光頻梳的偏振態(tài)相一致。圖6(a)和圖6(b)為雙光頻梳系統(tǒng)最終得到的光頻梳光譜圖。

綜上所述，本發(fā)明提出的基于微環(huán)諧振腔的自鎖定雙光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)解決了目前飛秒鎖模激光器光頻梳重頻低，不利于實(shí)現(xiàn)在微波光子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的困難，也克服了使用兩個(gè)微環(huán)諧振腔分別產(chǎn)生光頻梳并合并為雙光頻梳的系統(tǒng)復(fù)雜性。該系統(tǒng)采用自鎖定的技術(shù)方案，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有效的避免了外泵浦技術(shù)方案的失鎖問(wèn)題。采用該技術(shù)方案產(chǎn)生的雙光頻梳將在原子、分子光譜學(xué)，微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。