一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及光学频率梳技术领域，针对采用现有微腔光频梳产生系统产生微腔孤子光频梳时，无法实现自动化产生微腔孤子光频梳的问题，提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法。其中，程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，包括温度控制器、计算机控制系统，以及依次连接的窄线宽激光器、光学放大器、第一光隔离器、偏振控制器、光频梳发生器、光功率分束器和光功率计；所述光频梳发生器包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器与温度调节器相连；窄线宽激光器、光功率计和温度控制器分别与计算机控制系统电连接；光功率分束器用于将光频梳发生器产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计；另一路输出。

【技术实现步骤摘要】
一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法
本专利技术涉及光学频率梳
，具体涉及一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法。
技术介绍
光学频率梳(简称光频梳)为由一系列离散的、等间隔的频率成分组成的宽带光谱，并且各频率分量具有稳定的相位关系。光频梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域。随着光通信技术的飞速发展，光频梳在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域也受到广泛的关注。传统的光频梳由超短脉冲锁模激光器产生，然而受限于锁模激光器腔长，其重频通常小于1GHz。而基于光电调制的光频梳受外部驱动射频源的限制，不利于集成化。近几年来，围绕微腔孤子光频梳的产生开展了大量的研究工作，在MgF2、SiO2、SiN等多种材料平坦的微腔中产生了孤子光频梳，并在双梳测距、双梳光谱学及超高速并行光通信技术等领域开展了应用可行性研究。目前，基于外腔扫频激光器产生锁模孤子光频梳已经在多种微环谐振腔中产生。其符合现代小型化、集成化的趋势，在高重频和集成化方面具有先天性优势。但是，由于微腔内的热光效应，基于外腔扫频激光器产生锁模孤子光频梳要求孤子光频梳在微秒量级的时间内产生，因此依赖于复杂的实验技术，很难做到实时控制。目前常用的技术包括主要有快速扫频法和“power-kicking”法等。此类方法对时序要求严格，计算机程序无法对微腔孤子光频梳的产生进行判断，进而无法自动化产生微腔孤子光频梳。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对采用现有微腔光频梳产生系统产生微腔孤子光频梳时，由于对时序要求严格，无法实现采用计算机程序对微腔孤子光频梳的产生进行判断，从而无法实现自动化产生微腔孤子光频梳的问题，而提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统及方法。为实现上述目的，本专利技术提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特殊之处在于：包括温度控制器、计算机控制系统，以及依次连接的窄线宽激光器、光学放大器、第一光隔离器、偏振控制器、光频梳发生器、光功率分束器和光功率计；所述光频梳发生器包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器与温度调节器相连，用于控制微环谐振腔的工作温度；窄线宽激光器、光功率计和温度控制器分别与计算机控制系统电连接；窄线宽激光器用于产生微环谐振腔的激光信号；光学放大器用于放大激光信号，使激光功率达到产生微腔光频梳所需功率；第一光隔离器用于保证激光的单向传输，保证光学放大器的稳定工作；偏振控制器用于控制激光的偏振态，使之与微环谐振腔产生孤子晶体光频梳的模式相一致；光功率分束器用于将光频梳发生器产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计，光功率计用于探测光频梳的能量变化并将探测信号传输至计算机控制系统，作为光频梳状态的检测；另一路输出。进一步地，上述光频梳发生器与光功率分束器之间还连接第二光隔离器。第二光隔离器用于保证激光的单向传输，避免输出光由于反射效应对光频梳发生器产生影响，保证光频梳发生器的稳定工作。进一步地，上述窄线宽激光器采用固定波长的窄线宽泵浦激光器。进一步地，上述固定波长的窄线宽泵浦激光器采用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，具有高波长稳定性。进一步地，上述光学放大器采用掺饵光学放大器或半导体光学放大器或拉曼光纤放大器。进一步地，上述第一光隔离器、第二光隔离器均采用光纤型光隔离器。进一步地，上述偏振控制器采用光纤偏振控制器或者玻片型偏振控制器；微环谐振腔采用上下话路型微环谐振腔或者全通型的微环谐振腔。进一步地，上述温度调节器采用半导体制冷器或者表面金属加热器；温度控制器采用半导体制冷器控制器或者可调电流源。进一步地，上述光功率分束器采用拉锥型光功率分束器或者平面波导型光功率分束器。另外，本专利技术还提供一种程控微腔孤子晶体光频梳产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)搭建上述程控微腔孤子晶体光频梳产生系统；2)设置窄线宽激光器的输出功率与激光波长，设置光学放大器的输出功率和偏振控制器的状态；设置光功率计的单位、孤子光频梳的判断阈值、温度控制器的调节速率；3)设置微环谐振腔的初始工作温度值，使激光波长位于微环谐振腔的一个谐振峰的短波长处；4)逐步降低微环谐振腔的工作温度，同时通过光功率计读取光频梳功率的探测值；5)当读取到的光频梳功率探测值大于孤子光频梳的判断阈值时，减慢降温速度；6)当检测到光频梳功率探测值的下降量≥0.2dB时，停止降温，即得到孤子晶体光频梳。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术以光频梳功率的变化作为微腔孤子光频梳产生的判据，采用程序控制的方法产生微腔孤子晶体光频梳，相对于光谱判别方法，本专利技术具有成本低、速率高和操作简单的特点，提高了产生孤子光频梳的效率。2、本专利技术提供的通过计算机控制的微腔孤子光频梳自动产生系统，使用固定波长的窄线宽激光器为泵浦源，相对于扫频激光器成本更低且更易于系统集成。3、本专利技术所提供的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，具有良好的温度和振动稳定性，具有优良的系统鲁棒性。系统操作简单方便，稳定性高，有助于光频梳产生系统的工程化应用和快速推广。满足了工程应用(微波光子学、天文光谱测量及并行光纤通信等系统)对程控微腔光频梳的使用需求，特别是对孤子态微腔光频梳的需求。本专利技术的工作原理：孤子光频梳产生过程中微环谐振腔中光场经历了激光态、主梳态、调制不稳定性光频梳态、孤子光频梳态四种状态，失谐(产生频梳的微环谐振腔的共振频率与入射激光频率的差值)对应从蓝失谐(失谐为负值)到红失谐(失谐为正值)的过程，改变微环谐振腔的温度可以调整微环的谐振波长，从而可以调整失谐，产生孤子光频梳。当光频梳处于调制不稳定性光频梳态时，微环谐振腔中的能量较高，当调制不稳定性光频梳转换成孤子光频梳时，微环谐振腔的能量会突然下降，能量变化造成了微环谐振腔的温度的变化，引起了微环谐振腔的谐振波长漂移，因此借用外腔扫频激光器通常需要快速产生孤子光频梳与相应的能量补偿方法(诸如power-picking法)来弥补热效应。因为对时序要求严格，故无法实现采用计算机程序对微腔孤子光频梳的产生进行判断，从而无法实现微腔孤子光频梳的自动化产生。但是，最近研究发现孤子晶体光频梳的能量与调制不稳定性光频梳的能量相同，具有优良的温度稳定性，对光频梳的调节速度不再有严格的要求，具备了程控产生孤子光频梳的前提条件。同时，产生孤子晶体光频梳时，光频梳的功率有一定的下降。因此，本专利技术以光频梳的功率变化为判断依据，实现计算机程序控制的微腔孤子晶体光频梳自动产生。附图说明图1是本专利技术程控微腔孤子晶体光频梳产生系统实施例的结构示意图；图2为两个缺位的光孤子晶体光频梳的光谱图；图3为理想态光孤子晶体光频梳的光谱图；图4为温度控制器的设置电压变化曲线；图5为光频梳功率变化曲线。图中各标号的说明如下：1-窄线宽激光器，2-光学放大器，3-第一光隔离器，4-偏振控制器，5-光频梳发生器，6-第二光隔离器，7-光功率分束器，8-光功率计，9-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：包括温度控制器(9)、计算机控制系统(10)，以及依次连接的窄线宽激光器(1)、光学放大器(2)、第一光隔离器(3)、偏振控制器(4)、光频梳发生器(5)、光功率分束器(7)和光功率计(8)；所述光频梳发生器(5)包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器(9)与所述温度调节器相连；窄线宽激光器(1)、光功率计(8)和温度控制器(9)分别与计算机控制系统(10)电连接；光功率分束器(7)用于将光频梳发生器(5)产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计(8)；另一路输出。

【技术特征摘要】
1.一种程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：包括温度控制器(9)、计算机控制系统(10)，以及依次连接的窄线宽激光器(1)、光学放大器(2)、第一光隔离器(3)、偏振控制器(4)、光频梳发生器(5)、光功率分束器(7)和光功率计(8)；所述光频梳发生器(5)包括微环谐振腔和温度调节器；温度控制器(9)与所述温度调节器相连；窄线宽激光器(1)、光功率计(8)和温度控制器(9)分别与计算机控制系统(10)电连接；光功率分束器(7)用于将光频梳发生器(5)产生的光频梳分为两路，其中一路接入光功率计(8)；另一路输出。2.根据权利要求1所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述光频梳发生器(5)与光功率分束器(7)之间还连接第二光隔离器(6)。3.根据权利要求1或2所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述窄线宽激光器(1)采用固定波长的窄线宽泵浦激光器。4.根据权利要求3所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述固定波长的窄线宽泵浦激光器采用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器。5.根据权利要求4所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述光学放大器(2)采用掺饵光学放大器或半导体光学放大器或拉曼光纤放大器。6.根据权利要求5所述的程控微腔孤子晶体光频梳产生系统，其特征在于：所述第一光隔离器(3)、第二光隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文富，王信宇，王伟强，卢志舟，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