[发明专利]基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及高重频超短脉冲信号领域，具体为一种基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法及装置，可用于光通信、国防安全、天文学、高速全光模数转换、生物医学、微加工等领域。

背景技术

数字系统在稳定性、抗干扰能力、处理精度、集成度等方面相比模拟系统有着巨大的优势。然而自然界存在的信息大都以模拟信号的形式存在，必须将模拟信号转化为数字信号。光纤通信以其巨大的传输容量，良好的抗干扰能力，高速率和低误码率等优点在全世界范围内得到了广泛的应用，而40G、OTN、ASON等新传输技术不断涌现，下一代光通信网络技术以及光计算的发展也要求信息全部在光域中实现高速、并行的数字光学信息处理，迫切需要抛弃“光-电-光”的转换。综合分析，对光模拟信号利用全光模数转换技术实现高采样速率、高量化精度的模数转换成为迫切解决的问题。全光模数转换技术中的采样激光脉冲源的重复频率、脉冲宽度、稳定性等直接决定了模数转换的性能，因此研制一种高重频、窄脉宽、低抖动的激光脉冲源成为目前迫切需要解决的问题。

光纤激光器相对于固体激光器具有成本低廉、体积小、重量轻、无需光路准直、散热快、损耗小、激光阈值低等无可比拟的优点，得到了突飞猛进的发展，已成为激光领域充满创新活力和创新机遇的重要方向[Nat. Photonics，Vol. 4，p. 307- 311，2010和Nature，Vol. 424，p. 831-838，2003]。超短激光脉冲在光通信、国防安全、天文学、高速全光模数转换、生物医学、微加工等领域得到了广泛的应用，成为国家战略和高端产业的核心技术之一。关于光纤激光器的研究，在理论和工程技术方面都取得了重大突破。

光纤激光器产生高重复频率激光脉冲的方法有主动锁模技术及被动锁模技术。而被动锁模光纤激光器相对于主动锁模光纤激光器具有重复频率不受电子瓶颈的限制、结构简单、输出稳定性良好等特点。被动锁模光纤激光器，可通过缩短腔长提高基础重复频率[Opt. Commun. ，Vol. 284，p. 4203-4206，2011]、谐波锁模增加激光腔内脉冲个数[Opt. Lett. ，Vol. 37，p. 3522-3524，2012]、基于耗散四波混频效应（滤波四波混频效应）锁模[IEEE J. Quantum Electron. ，Vol.42，p. 1038-1046，2006]来提高重复频率。通过缩短腔长一定程度上可以增加激光器的重复频率，但是过短的腔长很难为激光器提供足够的增益实现锁模，并且超短谐振腔的制作较难。此外，多脉冲谐波锁模技术也被用于产生高重频脉冲，谐波锁模光纤激光器遇到一个常见的问题是除非采取稳定技术，否则无法在较长周期上产生稳定且等振幅的脉冲序列，并且重复频率的最大值仍然在20GHz左右。

基于四波混频效应实现高重频激光脉冲输出虽然已取得了重大突破，但是这种锁模脉冲的信噪比比较低、稳定性较差，无法满足全光模数转换技术中对采样脉冲源的要求。主要原因是四波混频效应需要较高的非线性，导致腔长较长，相邻纵模间距较小，通常为MHz或者更小，以致每个滤波通道内包含多个纵模，并且纵模的相位随机起伏引起低频噪声，严重降低了系统的稳定性。除此以外，引起激光脉冲抖动的因素一般还包括自发辐射噪声引起的抖动、光纤的色散导致中心频率漂移引起的抖动（Gordon-Haus抖动）、幅度不均匀引起的抖动[Jpn. J. Appl. Phys. ，Vol. 44，p. 1621-1625，2005]。要解决以上问题需要寻求新的滤波技术抑制多纵模振荡，寻求高非线性器件减少腔长、增大相邻纵模之间的间距，合理设计腔形结构减少三种抖动的影响，是提高高重频激光器稳定性的有效方式。近期就报道了利用四波混频效应实现高重频激光脉冲输出[Nature Communications，Vol. 3，p. 765，2012]。但是CMOS微腔不是光纤结构，会引入CMOS微腔与光纤器件耦合效率较低，损耗较大的缺点，实现激光器锁模输出需要的泵浦功率较高。该激光器没有降噪处理，稳定性还有待提高。