[发明专利]一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法

说明书

本发明公开了一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，属于光学频率梳技术领域。本发明采用腔内泵浦克尔非线性光学腔的方式，通过在腔内引入布里渊增益，利用产生的布里渊激光作为腔内泵浦光，相干驱动激光腔自发产生时域腔孤子，同时腔内泵浦光通过级联四波混频效应产生孤子频率梳。在此基础上，通过改变多波长激光源的频率间隔，获得重复频率可调谐的腔孤子脉冲和孤子频率梳。

技术领域

本发明属于光学频率梳技术领域，具体涉及一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法。

背景技术

时域腔孤子是一种超短脉冲激光，在克尔非线性光学腔中传输时可保持脉冲形状不变。由于这种特性使其在光通信、可调谐微波和太赫兹波产生、光谱学、测距等领域有着重要的应用价值。时域腔孤子的形成需要在克尔非线性光学腔内非线性效应和色散、增益和损耗之间达到双重平衡。目前，研究者已经在光纤环形腔和光学微腔中观察到时域腔孤子。2010年研究者利用驱动光和寻址脉冲同时注入光纤环形腔首次获得时域腔孤子。随后，研究者在光学微腔中观察到时域腔孤子，提供一种在时域上产生几十千兆赫兹重复频率的超短脉冲、在频域产生具有光滑包络的低噪声光学频率梳的方法。近年来，基于微腔的孤子频率梳研究取得重大突破，已广泛应用于孤子双梳光谱学、大规模并行相干光通信、孤子微梳测距等领域。目前，利用克尔非线性光学腔获得时域腔孤子存在着几个难题。首先，为了驱动腔产生时域腔孤子，注入泵浦光工作频率必须精细调整到红移失谐频率处；其次，由于腔共振频率很容易受到热效应和其它环境扰动的影响，因此需要实时、快速、精准调控注入泵浦光的频率，才可以实现孤子的长期运转；并且，上述时域腔孤子的重复频率主要由腔长决定，难以获得具有大范围重复频率可调谐的孤子频率梳，而具有大范围重复频率可调谐的频率梳在光通信、光传感、光谱学、可调谐微波或太赫兹波产生等方面具有很重要的应用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于腔内泵浦方式产生腔孤子和孤子频率梳的方法，采用本发明的方法获得的腔孤子和孤子频率梳有如下优势：重复频率可调谐、信噪比高、线宽窄、可以长期运转。

本发明提出用基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法原理如下：

通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，当多波长激光功率大于受激布里渊散射阈值时，在腔内产生与多波长激光方向反向的窄线宽布里渊激光，其波长自然位于布里渊增益谱中的腔谐振频率处，作为装置中的腔内泵浦光；当腔内激光功率增加时，由于腔内克尔效应谐振频率向较低频率偏移，此时，产生的腔内布里渊激光频率自动移向更低频率，位于腔红移失谐频率处。腔内泵浦激光在腔内传输，通过非线性效应和色散、增益和损耗双重平衡，产生时域腔孤子；同时，多波长布里渊激光在腔内发生级联四波混频效应，产生孤子频率梳。通过改变多波长激光的频率间隔，可以获得重复频率可调谐腔孤子及孤子频率梳。当腔谐振受到热效应和其它环境扰动的影响，所产生的腔内泵浦激光的频率总是位于腔红移失谐频率处，从而实现时域腔孤子的长期运转。此外，布里渊激光在一定程度上可以充当一个滤波器，可以滤除泵浦激光携带的强度噪声、相位噪声以及经过光放大器时携带的放大自发辐射噪声，由此在环形腔中产生的是高信噪比，窄线宽的孤子频率梳。

本发明采取如下技术方案：

一种基于腔内泵浦方式产生时域腔孤子和孤子频率梳的方法，具体步骤如下：通过在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益，在腔内产生与多波长激光方向相反的窄线宽布里渊激光，作为腔内泵浦光，其频率位于腔红移失谐频率处；腔内泵浦光在腔内传输，当腔内高非线性光纤中产生的非线性效应和腔内反常色散达到平衡、同时布里渊增益及参量增益与腔内传输损耗、器件损耗和腔内输出达到平衡时，产生时域腔孤子；通过使用在腔内泵浦波长附近色散近零平坦的高非线性光纤，腔内泵浦光在腔内循环时，产生级联四波混频效应，从而产生孤子频率梳。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：