本發(fā)明涉及光學(xué)頻率梳技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳系統(tǒng)及調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)頻率梳是指在頻率域上一系列精確等間隔且線寬極窄的分立光譜，時域上則是一系列等間隔的超短光脈沖序列，主要應(yīng)用于毫米波/太赫茲通信、精密光學(xué)頻率測量、光譜定標(biāo)、絕對距離測量、射頻光子學(xué)等領(lǐng)域，是高頻低相噪信號源產(chǎn)生、高速光通信光源產(chǎn)生、光學(xué)任意波形發(fā)生器、基本物理常數(shù)測量、類地行星探測、暗物質(zhì)暗能量研究、光頻原子鐘等必不可少的工具。2005年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的霍爾教授(J.L.Hall)和德國馬普量子光學(xué)所的亨施教授(T.W.Hansch)因?qū)鈱W(xué)頻率梳的杰出貢獻(xiàn)共同獲得2005年度諾貝爾物理學(xué)獎。目前光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生方式主要有兩種：基于鎖模激光器的光學(xué)頻率梳與基于參量過程的微納克爾光頻梳。前者產(chǎn)品體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，且重復(fù)頻率低，僅達(dá)兆赫茲。后者采用連續(xù)可調(diào)諧激光器泵浦填充三階非線性介質(zhì)的光學(xué)微納諧振腔，通過級聯(lián)的四波混頻效應(yīng)最終形成光學(xué)頻率頻梳。與基于鎖模激光器的光頻梳相比，基于參量過程的微納克爾光頻梳具有體積小、與CMOS工藝兼容、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。
克爾微腔內(nèi)有非常復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，如孤子態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)、圖靈態(tài)、混沌態(tài)等。而處于孤子態(tài)的光頻梳以其良好的特性受到人們的青睞。時域上看，可經(jīng)長距離傳輸而保持脈沖形狀不變從而可應(yīng)用于長距離相干光通信系統(tǒng)中，頻域上則表現(xiàn)為寬譜、低相噪，頻譜光滑且譜線間具有良好的相干特性。2010年，Leo等人首次在光纖腔中觀測到了光孤子。接下來幾年里，陸續(xù)又有小組通過可調(diào)諧激光器掃頻來泵浦微納諧振腔從而得到了光孤子，并就高階色散、拉曼效應(yīng)等對光頻梳性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。期間關(guān)于孤子光頻梳的產(chǎn)生及演化也有大量的理論研究，用于描述微納諧振腔中光頻梳演化過程的主要有非線性耦合模及非線性Lugiato-Lefever兩種理論模型。非線性耦合模模型中每個模式各對應(yīng)一個描述其演化的方程，而各方程又通過描述四波混頻效應(yīng)的項(xiàng)耦合到一起。四波混頻耦合項(xiàng)的存在使得數(shù)值計(jì)算該方程的時間與微腔模式數(shù)的三次方成正比，因此仿真成百上千個模式的演化時，非線性耦合模模型這種描述方式就顯得極其低效了。與非線性耦合模方程相比，數(shù)值計(jì)算聯(lián)立非線性薛定諤方程及諧振腔耦合處邊界條件推導(dǎo)出的非線性Lugiato-Lefever模型則會高效很多，因此非線性Lugiato-Lefever模型廣泛用于光頻梳各種性質(zhì)的理論分析中。
一旦微納諧振腔的尺寸確定，其自由譜寬free spectral range(FSR)就確定了，且光頻梳的譜線間隔為FSR的整數(shù)倍。目前已經(jīng)有了孤子光頻梳產(chǎn)生與演化的理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)生的孤子光頻梳譜線間距均為FSR。但實(shí)際應(yīng)用中通常需要得到譜線間隔可調(diào)的孤子光頻梳，此時傳統(tǒng)的可調(diào)諧激光器泵浦微納諧振腔方案無法滿足需求。而采用雙連續(xù)光泵浦諧振腔使產(chǎn)生譜線間隔可調(diào)的孤子光頻梳成為可能。
目前主要采用可調(diào)諧激光器泵浦諧振腔，同時將可調(diào)諧激光器在諧振腔諧振波長附近連續(xù)掃頻來產(chǎn)生孤子光頻梳。然而采用這種方法時掃頻速率至關(guān)重要，過快或者過慢都會導(dǎo)致光頻梳錯過孤子區(qū)域。同時即使產(chǎn)生了孤子光頻梳，孤子的個數(shù)與位置也無法通過此調(diào)節(jié)方式控制。國內(nèi)外的多次試驗(yàn)證明通過調(diào)節(jié)雙泵浦光波長間距的方式從而實(shí)現(xiàn)對光頻梳譜線間距的調(diào)節(jié)是切實(shí)可行的，然而目前已有的雙泵浦光源方案僅產(chǎn)生了間距可調(diào)的光頻梳，并沒有得到性能更好的孤子光頻梳。目前普遍的孤子光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)均采用單一可調(diào)諧光源，通過在諧振腔諧振波長附近連續(xù)掃頻得到，這種方案對掃頻速率要求極高，掃頻過快或者過慢都無法形成孤子光頻梳。
經(jīng)檢索，公開號為CN105680301A、CN申請?zhí)枮?01610144450.7的中國發(fā)明申請，該發(fā)明公開一種基于微環(huán)諧振腔的可調(diào)頻率間隔的光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)和方法，旨在解決現(xiàn)有光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性差，且光頻梳的頻率間隔固定或者僅在幾個自由光譜范圍內(nèi)可調(diào)的弊端。該系統(tǒng)由光學(xué)放大器、光隔離器、偏振控制器、上傳/下載型微環(huán)諧振腔、光分束器以及可調(diào)雙波長濾波器通過單模光纖串聯(lián)形成的閉合的光纖環(huán)形腔；其中，沿光纖環(huán)形腔內(nèi)激光信號的傳播路徑，光分束器位于上傳/下載型微環(huán)諧振腔之后。
但是：上述專利僅提出了間距可調(diào)光頻梳的產(chǎn)生方案，無法應(yīng)用于對光頻梳穩(wěn)定性要求更高的領(lǐng)域。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳系統(tǒng)及調(diào)節(jié)方法，同時改進(jìn)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方案，將連續(xù)掃頻步驟改為兩次調(diào)節(jié)，從而簡化孤子光頻梳的產(chǎn)生方式。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：第一連續(xù)可調(diào)諧激光器，第二連續(xù)可調(diào)諧激光器，第一摻鉺光纖放大器，第二摻鉺光纖放大器，用于濾除泵浦光邊帶雜散信號的第一帶通濾波器、第二帶通濾波器，第一耦合器，第二耦合器，一個微納諧振腔，一個濾除泵浦光信號的布拉格光纖光柵，光電探測器，用于分析光譜特性的光譜分析儀，以及用于分析拍頻后電信號的電譜分析儀；其中：
第一連續(xù)可調(diào)諧激光器發(fā)出泵浦光源，泵浦光源經(jīng)第一摻鉺光纖放大器、第一帶通濾波器放大濾波后，經(jīng)第一耦合器的第一輸入口耦合到微納諧振腔；
第二連續(xù)可調(diào)諧激光器發(fā)出泵浦光源，泵浦光源經(jīng)第二摻鉺光纖放大器、第二帶通濾波器放大濾波后，經(jīng)第一耦合器的第二輸入口耦合到微納諧振腔；
微納諧振腔的輸出端連接布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵輸出端連接第二耦合器的輸入口，第二耦合器有兩個輸出口，其中一個輸出口連接光譜分析儀、另外一個通過光電探測器連接電譜分析儀。
所述微納諧振腔，用于生成微納克爾光學(xué)頻率梳。
所述布拉格光柵用以濾除強(qiáng)烈的泵浦光，防止泵浦光干擾觀測結(jié)果。
優(yōu)選地，所述微納諧振腔為CMOS工藝制備的Si3N4光學(xué)微腔，有利于可調(diào)諧光源的片上集成。
優(yōu)選地，所述光電探測器由光電二極管組成。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，所述方法采用兩個連續(xù)可調(diào)諧激光器作為泵浦光源，泵浦光源經(jīng)放大濾波后耦合到微納諧振腔，分三個步驟調(diào)節(jié)泵浦光源，通過控制兩泵浦光源頻率間距從而實(shí)現(xiàn)對孤子光頻梳譜線間距的控制；
第一步，確定諧振腔諧振波長范圍：采用單光源放大濾波后泵浦微納諧振腔，找到泵浦光能夠耦合進(jìn)入微納諧振腔的波長范圍，并確定孤子產(chǎn)生對應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域的波長范圍；
第二步，單光源泵浦諧振腔產(chǎn)生頻率梳：用波長為第一步測量記錄下的微納諧振腔內(nèi)功率開始增大時對應(yīng)值的單光源泵浦諧振腔，從而產(chǎn)生光學(xué)頻率梳；
第三步，間距可調(diào)諧孤子光頻梳的產(chǎn)生：將第二步單光源的波長調(diào)為雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域?qū)?yīng)波長，同時加入波長低于該光源N倍自由譜寬處的另一光源，二者共同耦合到諧振腔內(nèi)，逐步演化出孤子光頻梳；當(dāng)泵浦光源頻率間隔為N倍自由譜寬時，孤子光頻梳的譜線間隔相應(yīng)也為N倍自由譜寬。
進(jìn)一步的，所述第一步，確定諧振腔諧振波長范圍：
選用第一連續(xù)可調(diào)諧激光器經(jīng)第一摻鉺光纖放大器放大并通過第一帶通濾波器濾除邊帶雜散信號后進(jìn)入第一耦合器的第一輸入口，第二連續(xù)可調(diào)諧激光器無信號輸入第一耦合器，再將第一耦合器輸出口的連續(xù)光耦合到微納諧振腔，微納諧振腔內(nèi)一部分光信號通過耦合口輸出，經(jīng)布拉格光纖光柵濾除夾雜的強(qiáng)烈泵浦光信號后進(jìn)入光譜分析儀以分析光頻梳的產(chǎn)生情況，將第一可調(diào)諧激光器掃頻，觀察輸出功率變化情況，輸出功率不為零時說明諧振波長在此波段內(nèi)，同時找到雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域?qū)?yīng)的泵浦光波長范圍。
進(jìn)一步的，所述第二步，單光源泵浦諧振腔產(chǎn)生頻率梳：
將第一連續(xù)可調(diào)諧激光器的波長設(shè)為第一步測量記錄下的微納諧振腔內(nèi)功率開始增大時對應(yīng)的泵浦波長，經(jīng)第一摻鉺光纖放大器放大并通過第一帶通濾波器濾除邊帶雜散信號后進(jìn)入第一耦合器，再經(jīng)第一耦合器的輸出口進(jìn)入微納諧振腔，第二連續(xù)可調(diào)諧激光器無信號輸入，將微納諧振腔內(nèi)的一部分信號經(jīng)耦合口提取出并經(jīng)布拉格光纖光柵濾除強(qiáng)烈的泵浦光后進(jìn)入光譜分析儀觀察光譜，觀測該步驟產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳特性。
進(jìn)一步的，所述第三步、間距可調(diào)諧孤子光頻梳的產(chǎn)生：
第一連續(xù)可調(diào)諧激光器功率不變，將波長轉(zhuǎn)換到第一步中測得的雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域的值，接下來將第二連續(xù)可調(diào)諧激光器波長設(shè)為偏離第一連續(xù)可調(diào)諧激光器波長N倍自由譜寬處，兩束連續(xù)光分別經(jīng)過第一摻鉺光纖放大器、第二摻鉺光纖放大器放大、并經(jīng)過第一帶通濾波器、第二帶通濾波器濾除邊帶雜散信號后，通過第一耦合器的第一輸入口、第二輸入口進(jìn)入第一耦合器，第一耦合器的輸出口輸出信號通過光纖耦合到微納諧振腔，再將一部分微納諧振腔內(nèi)信號耦合出來，經(jīng)布拉格光纖光柵濾除強(qiáng)烈的泵浦光后一部分通過第二耦合器的第一輸出口進(jìn)入光譜分析儀以觀察形成的孤子光頻梳、另一部分通過第二耦合器的第二輸出口進(jìn)入光電探測器拍頻后通過電譜分析儀觀察拍頻信號，從而得到譜線間距。
更進(jìn)一步的，所述第一步中：
先將可調(diào)諧激光器波長由小往大調(diào)節(jié)，通過光譜分析儀記錄微納諧振腔內(nèi)功率的變化狀況，觀測到功率逐步增大時，說明泵浦光的波長在微納諧振腔諧振波長附近；
接下來將泵浦光波長由大往小調(diào)節(jié)，綜合兩次調(diào)節(jié)步驟，找到雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域?qū)?yīng)的泵浦光波長范圍。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明提出的間距可調(diào)的孤子光頻梳具有相噪特性更優(yōu)異、譜線間相位嚴(yán)格鎖定、頻譜更寬等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得本發(fā)明可應(yīng)用于對光頻梳穩(wěn)定性要求更高的領(lǐng)域。同時本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，無需外圍的閉合光纖環(huán)形腔，調(diào)節(jié)操作簡單可靠。
本發(fā)明中采用雙連續(xù)光泵浦微納諧振腔的方法得到間距可調(diào)的孤子光頻梳，不存在掃頻速率的問題，并且只需要三步即可得到間距可調(diào)的孤子光頻梳，無需考慮泵浦光波長調(diào)節(jié)速率的問題。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：
圖1為本發(fā)明一實(shí)施例基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳系統(tǒng)示意圖；
圖中：第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1、第二連續(xù)可調(diào)諧激光器2、第一摻鉺光纖放大器3、第二摻鉺光纖放大器4、第一帶通濾波器5、第二帶通濾波器6、第一耦合器7、第二耦合器8、微納諧振腔9、布拉格光纖光柵10、光電探測器11、分析光譜特性的光譜分析儀12、分析拍頻后電信號的電譜分析儀13。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖1所示，一種基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1、第二連續(xù)可調(diào)諧激光器2、第一摻鉺光纖放大器3、第二摻鉺光纖放大器4、兩個濾除泵浦光邊帶雜散信號的第一帶通濾波器5、第二帶通濾波器6、第一耦合器7、第二耦合器8、一個微納諧振腔9、一個濾除泵浦光信號的布拉格光纖光柵10、光電二極管組成的光電探測器11、分析光譜特性的光譜分析儀12和分析拍頻后電信號的電譜分析儀13組成。微納諧振腔9采用CMOS工藝制備的Si3N4光學(xué)微納諧振腔。其中：
第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1發(fā)出泵浦光源，泵浦光源經(jīng)第一摻鉺光纖放大器3、第一帶通濾波器5放大濾波后，經(jīng)第一耦合器7的第一輸入口耦合到微納諧振腔9；
第二連續(xù)可調(diào)諧激光器2發(fā)出泵浦光源，泵浦光源經(jīng)第二摻鉺光纖放大器4、第二帶通濾波器6放大濾波后，經(jīng)第一耦合器7的第二輸入口耦合到微納諧振腔9；
微納諧振腔9的輸出端連接布拉格光纖光柵10，布拉格光纖光柵10輸出端連接第二耦合器8的輸入口，第二耦合器8有兩個輸出口，其中一個輸出口連接光譜分析儀12、另外一個通過光電探測器11連接電譜分析儀13。
所述微納諧振腔9，用于生成微納克爾光學(xué)頻率梳。
所述布拉格光柵10用以濾除強(qiáng)烈的泵浦光，防止泵浦光干擾觀測結(jié)果。
在一實(shí)施例中，所述微納諧振腔9采用三階非線性介質(zhì)制備，通過非線性微腔參量過程，首先激發(fā)簡并四波混頻效應(yīng)，兩個泵浦光子產(chǎn)生產(chǎn)生一個閑置光和一個信號光，生成的閑置光和信號光再次進(jìn)行簡并四波混頻和非簡并四波混頻效應(yīng)，以此類推，級聯(lián)四波混頻效應(yīng)最終生成微納克爾光學(xué)頻率梳。
采用上述系統(tǒng)，基于微納諧振腔的間距可調(diào)孤子光頻梳的調(diào)節(jié)方法，分三步進(jìn)行：
第一步、確定諧振腔諧振波長范圍：
選用單個可調(diào)諧激光器即第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1設(shè)定一輸入功率，經(jīng)第一摻鉺光纖放大器3放大并濾除邊帶信號后，進(jìn)入第一耦合器7的第一輸入口，第二連續(xù)可調(diào)諧激光器2功率為零，第一耦合器7輸出的光信號耦合到微納諧振腔9內(nèi)，微納諧振腔9內(nèi)一部分信號耦合出來與未進(jìn)入微納諧振腔9內(nèi)的泵浦光信號，一起通過布拉格光纖光柵10濾除強(qiáng)烈的泵浦光信號后，進(jìn)入光譜分析儀12觀察微納諧振腔9內(nèi)信號：先將第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1波長由小往大調(diào)節(jié)，通過光譜分析儀12記錄微納諧振腔9內(nèi)功率的變化狀況，觀測到功率逐步增大時，說明泵浦光的波長在微納諧振腔9諧振波長附近；接下來將泵浦光波長由大往小調(diào)節(jié)，綜合兩次調(diào)節(jié)步驟，找到雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域?qū)?yīng)的泵浦光波長范圍；
第二步、單光源泵浦諧振腔產(chǎn)生頻率梳：
選用第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1設(shè)定一輸入功率，波長設(shè)為第一步測量記錄下的微納諧振腔9內(nèi)功率開始增大時對應(yīng)的泵浦波長，泵浦光經(jīng)第一摻鉺光纖放大器EDFA放大并經(jīng)第一帶通濾波器5濾除邊帶雜散信號后進(jìn)入第一耦合器1的第一輸入口，第二連續(xù)可調(diào)諧激光器2功率為零，第一耦合器7的輸出信號耦合進(jìn)入微納諧振腔9，微納諧振腔9內(nèi)一部分信號與未耦合進(jìn)入微納諧振腔9內(nèi)的泵浦光信號進(jìn)入光線布拉格光柵10，光線布拉格光柵10濾除強(qiáng)烈的泵浦光信號后進(jìn)入光譜分析儀12，觀測該步驟產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳特性；
第三步、間距可調(diào)諧孤子光頻梳的產(chǎn)生：
第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1的功率保持不變，波長調(diào)為第一步中測得雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域的值，第二連續(xù)可調(diào)諧激光器2功率設(shè)為第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1功率的十分之一，波長為小于第一連續(xù)可調(diào)諧激光器1波長N倍FSR的值；兩連續(xù)光分別經(jīng)第一摻鉺光纖放大器3、第二摻鉺光纖放大器4放大并濾除邊帶雜散信號后通過第一耦合器7合為一路，第一耦合器7的輸出口將合并的信號耦合進(jìn)入微納諧振腔9，微納諧振腔9內(nèi)一部分信號耦合到微納諧振腔9外，與未耦合入微納諧振腔9的雙泵信號共同進(jìn)入布拉格光纖光柵10，濾除強(qiáng)烈的泵浦光的信號后進(jìn)入第二耦合器8，進(jìn)入第二耦合器8的一部分信號通過第二耦合器8的第一輸出口進(jìn)入光譜分析儀12觀察產(chǎn)生的光頻梳，經(jīng)過一段時間的演化即可觀察到孤子光頻梳的形成；進(jìn)入第二耦合器8的另一部分信號通過第二耦合器8的第二輸出口進(jìn)入光電探測器11拍頻后，將得到的電信號接入電譜分析儀13，生成的光頻梳譜線間距即為電譜分析儀13觀測到的射頻信號頻率；
通過修改兩泵浦光源的波長間隔即可對產(chǎn)生孤子光頻梳的譜線間隔實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，當(dāng)泵浦光源頻率間隔為N倍FSR時，孤子光頻梳的譜線間隔相應(yīng)的也為N倍FSR。
本發(fā)明能產(chǎn)生譜線間距可調(diào)孤子光頻梳，無需考慮泵浦光波長調(diào)節(jié)速率的問題。
以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。