[发明专利]基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置

权利要求书

1.一种基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置，其特征在于，由至少一个表面掺稀土离子的微腔，一段锥形光纤，一个1550nm扫描泵浦光源,一个974nm控制光源，一个高功率掺铒光纤放大器,一个可调滤波器,一个波分多路复用器,光纤偏振控制器,一个环形器和温度控制模块组成；所述扫描泵浦光源的输出波长和功率不变，扫描泵浦光源、高功率掺铒光纤放大器和可调滤波器依次连接,然后连接到波分多路复用器的1550nm端口，实现200mW的低噪声泵浦光输出；974nm控制光源的输出直接连接到波分复用器的980nm端口；波分复用器的com端口、光纤偏振控制器和环形器的第一端口依次连接；环形器的第二端口连接锥形光纤；二氧化硅微球固定在温度控制模块上，以保持温度稳定，并与锥形光纤耦合；环形器的第三端口作为信号输出端口，获得的微球反射频率梳信号具有更少的泵浦光分量，并与光耦合器连接，将信号分为两路；一路连接到光谱仪，用于测量孤子频率梳的光谱，另一路通过光电探测器后连接到示波器或电子频谱分析仪，采集输出孤子功率信息；所述表面掺稀土离子的微腔为表面掺稀土离子的二氧化硅微球，二氧化硅微球的直径为500微米，通过保偏光纤熔接机对直径为125微米的单模光纤进行3次大功率放电弧放电得到，经蘸取由氯化铒水合物(ErCl₃·6H₂O)、纯水、酒精按重量比1.567:12.188:37.2混合制成Er³⁺离子溶液后，采用氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过保偏光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径为600微米掺Er³⁺的微球，腔品质因数大于等于3×10⁸的表面掺稀土离子微球谐振腔；锥形光纤由二氧化硅单模光纤通过熔融拉锥方法制备而成，锥区直径为1μm，整体长度为3厘米,与微球赤道贴附耦合用以输入泵浦光、控制光和输出光频梳信号光；所述锥形光纤的锥区直径与泵浦波长在同一数量级，光以倏逝场形式沿微光纤传播；所采用的锥形光纤垂直于所采用的微球连接光纤并微球赤道耦合，两者的相对位置由两个精确的三维平移台控制；选取掺铒光纤放大器(EDFA)；控制光频率974nm，泵浦光频率1550nm；光频梳输出光谱宽度大于等于100nm，梳线间隔为0.8nm，重复频率为10-500GHz，脉冲宽度300飞秒；光频梳孤子锁模泵浦阈值小于等于40毫瓦，输出功率大于等于1毫瓦，单根线宽小于等于2Hz，信噪比大于等于60dB，相位噪声小于等于-120dBc/Hz@10kHz；所述微腔是回音壁模式微球，微腔的材料包含：石英(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、铌酸锂(LiNbO₃)、氟化钙(CaF₂)、氟化镁(MgF₂)；所述稀土离子水合物包含:NdCl₃·6H₂O、TmCl₃·6H₂O、YbCl₃·6H₂O、ErCl₃·6H₂O；所述装置通过调制不稳定性和三阶克尔非线性效应引起的级联四波混频过程，实现光谱的展宽，当谐振腔内的增益和损耗、非线性和色散平衡后，实现了各个纵模的相位锁定，形成孤子脉冲输出。

2.一种权利要求1所述的基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳产生装置的调谐方法，其特征在于，第一步，制备表面掺杂稀土离子的微腔结构和锥形光纤；第二步，搭建实验装置和连接光路，1550nm扫描泵浦光源、高功率掺铒光纤放大器和可调滤波器依次连接,然后连接到波分多路复用器的1550nm端口，实现200mW的低噪声泵浦光输出；974nm控制光源的输出直接连接到波分复用器的980nm端口；波分复用器的com端口、光纤偏振控制器和环形器的第一端口依次连接；环形器的第二端口连接锥形光纤；微球固定在温度控制模块上，以保持温度稳定，并与锥形光纤耦合；环形器的第三端口作为信号输出端口，获得的微球反射频率梳信号具有更少的泵浦光分量，并与50:50的光耦合器连接，将信号分为两路；一路连接到光谱仪，用于测量孤子频率梳的光谱，另一路通过光电探测器后连接到示波器或电子频谱分析仪；第三步，关闭控制光源，通过扫频获得孤子光频梳输出，首先，我们关掉控制光源；在微球区，由于谐振腔的“回音壁”模式，谐振腔的Q值高达3×10⁸；通过调制不稳定性和三阶克尔非线性效应引起的级联四波混频过程，实现光谱的展宽；当谐振腔内的增益和损耗、非线性和色散平衡后，实现了各个纵模的相位锁定，形成孤子脉冲输出；第四步，打开控制光源，采用全光调控的方式，通过调节控制激光的功率从0到10毫瓦，实现光频梳的开关输出，开关比大于等于98％，开关速率大于等于8MHz，同时保持稳定的输出，通过调节控制光源的功率实现对孤子光频梳输出功率的调节。