基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法技术方案

针对微波光子学、天文光谱测量及并行光纤通信系统对高频率间隔光频梳源的需求，特别是可实现片上集成的光频梳源的需求，本发明专利技术提供了一种基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法，系统包括通过单模光纤依次连接的泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器和光频梳发生器和温度控制器；泵浦激光器输出波长与所需产生的光频梳波长一致，光学放大器工作波长与泵浦激光器输出波长一致；偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器封装在封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在封装壳体外与温度调节器相连的温度控制器控制。本发明专利技术成本低，可靠性高，体积小。

【技术实现步骤摘要】
基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法
本专利技术涉及一种基于光学微腔的光频梳产生系统与方法，具体涉及一种基于光学微腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法。
技术介绍
光时域孤子(简称光孤子)是一种光学脉冲信号，光孤子在光学介质的色散效应被非线性效应所补偿，同时光孤子的增益和传输损耗相均衡，因此光孤子在传输过程状态将保持不变，具有极为优良的光学性能，是光学研究的一个热点。其中基于微腔的光孤子产生技术是近年来随着微腔光频梳的发展而发展起来的一项技术，是微腔光频梳的一种特殊形式，是微腔光频梳的一种低噪声态，是最具有实用价值的一种微腔光频梳，因此光孤子频梳成为微腔光频梳研究的一个重点。微腔光孤子具有极高的重频，通常为数十吉赫兹到太赫兹，在频域上，各频率成分的间隔较大，易于控制光频梳的各个梳齿(波长)，因此在并行光通信系统、光任意波形产生及光子微波
有着极为重要的应用前景。微腔光孤子需要外部连续光进行泵浦，所使用的泵浦源通常为快速扫频的窄线宽激光器，此类激光器通常使用机械部件或压电陶瓷改变激光腔的长度，进而调节激光器的发射波长，因此为实现快速扫频，对激光器的控制有很高的要求。窄线宽激光器通常由两部分组成，一是光学谐振腔部分，另一个是激光器的控制部分；激光器的体积通常较大，并且成本极为昂贵，不利于微腔光孤子产生系统的小型化和规模应用。微腔光孤子的产生通常需要将泵浦光调节到微腔谐振频率的红移处，此时的腔内光场能量远小于泵浦与微腔谐振波长相重合时的能量，由于微腔中的热光效应，需要采用复杂的实验技术使泵浦光稳定在微腔谐振频率的红移处。目前常用的实验方法包括泵浦波长快速扫描法和“功率调节”方法，前者除了需要快速频率扫描激光器，并且对微腔的性能提出苛刻的要求，而后者需要声光/电光调制器和复杂控制时序，因此不利于微腔光孤子频梳的小型化集成和成本降低，从而不利于微腔光频梳的实际规模应用。基于微腔的光孤子晶体是微腔光孤子的一种特殊形式，在微腔中形成紧密排列的光孤子序列，在光孤子序列中可能存在各种缺陷(类比于固态晶体的晶格排列结构)。形成光孤子晶体状态时泵浦光具有极小的失谐量，此时微腔内的光场能量下降不是很明显，因此无需复杂的实验技术即可稳定实现微腔光孤子晶体的产生。而目前报道的光孤子晶体仍是采用泵浦波长扫描方法，无法实现小型化和低成本。因此，为了使微腔光频梳的应用得到推广，亟需小型化封装、低成本的微腔光频梳系统。
技术实现思路
针对微波光子学、天文光谱测量及并行光纤通信系统对高频率间隔光频梳源的需求，特别是可实现片上集成的光频梳源的需求，本专利技术提供了一种基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统与方法，其产生的光频梳信号具有极低的噪声，并且该光频梳系统无需复杂的控制系统、体积小、操作容易、环境稳定性好。本专利技术的技术方案是：基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，包括泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器和光频梳发生器；其特殊之处在于：还包括温度控制器；所述泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器、光频梳发生器和温度控制器通过单模光纤依次连接；所述泵浦激光器的输出波长与所需产生的光频梳的波长一致，所述光学放大器的工作波长与所述泵浦激光器的输出波长一致；所述偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；所述光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器被封装在所述封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在所述封装壳体外的与所述温度调节器相连的温度控制器进行控制。进一步地，上述泵浦激光器为频率稳定、发射功率可调节的半导体窄线宽激光器，或者为频率稳定的窄线宽光纤激光器。进一步地，上述微环谐振腔为上下话路型微环谐振腔，包括衬底、包层、第一直波导、第二直波导和环形波导；所述环形波导分别与第一直波导和第二直波导通过倏逝波进行耦合；所述第一直波导和第二直波导排列在环形波导两侧；所述第一直波导的两端分别为Input端口和Through端口；所述第二直波导的两端分别为Drop端口和Add端口；泵浦光信号从所述Input端口进入微环谐振腔，满足微环谐振腔谐振条件的频率从所述Drop端口输出，未完全耦合的泵浦光从所述Through端口输出。进一步地，上述微环谐振腔为直通型微环谐振腔，包括衬底、包层、直波导和环形波导；所述环形波导与直波导通过倏逝波进行耦合；所述直波导的两端分别为Input端口和Through端口；泵浦光信号从Input端口进入微环谐振腔，产生的光频梳信号和未完全耦合的泵浦光从Through端口输出。进一步地，上述光学放大器为光纤放大器，或者为拉曼光纤放大器。进一步地，上述偏振控制器为光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器。进一步地，上述温度调节器为半导体制冷器或者表面金属加热器。进一步地，上述温度控制器为与温度调节器相适配的半导体制冷器控制器或电流控制器。本专利技术还提供了利用上述基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统的光孤子晶体光频梳产生方法，包括以下步骤：1)打开泵浦激光器，设置其输出波长和功率；2)打开光学放大器，调节其输出功率；3)调节偏振控制器，使泵浦光的偏振态与微环谐振腔的一个偏振模式相一致；4)增大温度控制器的设置温度，使微环谐振腔的工作温度逐步上升，监控从微环谐振腔输出的光功率和光谱，直至微环谐振腔的一个谐振峰扫过泵浦光并落在谐振峰的蓝移处；5)缓慢降低温度控制器的设置温度，泵浦光从谐振峰的蓝移方向进入微环谐振腔中，随着微环谐振腔中泵浦光功率逐步增大，依次得到图灵光频梳、调制不稳定性光频梳和光孤子晶体光频梳。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术采用温度控制的方法产生光孤子晶体频梳，由于温度控制技术已经非常成熟，并大量应用于工业领域，因此该方法有助于本专利技术系统与现有技术的无缝连接和快速推广。2、本专利技术采用固定波长的激光器作为微环谐振腔的泵浦源，相对于传统的快速扫频激光器，其成本更低，系统可靠性更高，更重要的是，系统的体积更小，有助于系统的小型化集成。3、本专利技术的光孤子晶体频梳系统，具有良好的温度稳定性，在实验室环境中无自失锁现象发生，展现出其优良的系统健壮性；同时该系统还可以通过温度调节实现孤子晶体频梳与调制不稳定频梳的来回切换。4、本专利技术的光孤子晶体频梳系统，对泵浦光功率的波动具有很强的免疫能力，并且可以通过泵浦功率的增加或减小实现孤子晶体频梳与调制不稳定频梳的来回切换。5、本专利技术的光孤子晶体频梳系统结构简单、易于小型化集成、成本低、调试方法简单。6、本专利技术使用的器件都是通用的光纤器件或电子器件，已经商业化或技术已经相对成熟，有利于后期的快速推广。7、本专利技术将光学微环谐振腔封装在一个小型的壳体内，有助于器件工作环境的控制，对系统的稳定性提供了可靠的保证。附图说明图1为本专利技术系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例采用的直通型微环谐振腔的结构示意图；图3为本专利技术实施例采用的上下话路型微环谐振腔的结构示意图；图4为本专利技术实施例实验测得的微环谐振腔内光功率随温度调节时间变化的波形图；图5为本专利技术实施例实验测得的基于微环谐振腔的光频梳演化图，图5中：(a)为图灵光频梳的光谱图；(b)为图灵光频梳在49GHz处的频谱图；(c)为调制不稳定性光频梳的光谱图；(d)为调制不稳定性光频梳在49GHz处的频谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，包括泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器和光频梳发生器；其特征在于：还包括温度控制器；所述泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器、光频梳发生器和温度控制器通过单模光纤依次连接；所述泵浦激光器的输出波长与所需产生的光频梳的波长一致，所述光学放大器的工作波长与所述泵浦激光器的输出波长一致；所述偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；所述光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器被封装在所述封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在所述封装壳体外与所述温度调节器相连的温度控制器进行控制。

【技术特征摘要】
1.基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，包括泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器和光频梳发生器；其特征在于：还包括温度控制器；所述泵浦激光器、光学放大器、偏振控制器、光频梳发生器和温度控制器通过单模光纤依次连接；所述泵浦激光器的输出波长与所需产生的光频梳的波长一致，所述光学放大器的工作波长与所述泵浦激光器的输出波长一致；所述偏振控制器为能承受泵浦光信号功率的偏振控制器；所述光频梳发生器包括封装壳体、微环谐振腔和温度调节器；微环谐振腔和温度调节器被封装在所述封装壳体内，微环谐振腔的工作温度通过设置在所述封装壳体外与所述温度调节器相连的温度控制器进行控制。2.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述泵浦激光器为频率稳定、发射功率可调节的半导体窄线宽激光器，或者为频率稳定的窄线宽光纤激光器。3.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述微环谐振腔为上下话路型微环谐振腔，包括衬底、包层、第一直波导、第二直波导和环形波导；所述环形波导分别与第一直波导和第二直波导通过倏逝波进行耦合；所述第一直波导和第二直波导排列在环形波导两侧；所述第一直波导的两端分别为Input端口和Through端口；所述第二直波导的两端分别为Drop端口和Add端口；泵浦光信号从所述Input端口进入微环谐振腔，满足微环谐振腔谐振条件的频率从所述Drop端口输出，未完全耦合的泵浦光从所述Through端口输出。4.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的光孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述的微环谐振腔为直通型微环...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟强，卢志舟，张文富，赵卫，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61