[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

说明书

本发明公开了一种基于表面掺稀土离子微腔的可调谐孤子频率梳，该器件由二氧化硅微球构成，并使用一段锥形光纤进行耦合。其特征在于，二氧化硅微球由直径为125微米商用单模光纤通过光纤熔接机多次电弧放电得到，其直径约为500微米；而后让微球表面蘸取稀土离子溶液；接下来通过氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径约为600微米的表面掺稀土离子微球谐振腔。锥形光纤耦合用于孤子光频梳激发泵浦激光和用于孤子光频梳调控的控制激光。

技术领域

本发明涉及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，具体涉及可调谐孤子频率梳技术领域。

背景技术

自2005年光学频率梳获得诺贝尔物理学奖以来，其前所未有的测量能力为精密测量领域带来了技术革新，包括精密光谱学、原子钟、分子指纹测量。同时在天文学、微波光子学、通信和传感领域也展现出了巨大的应用潜力。到目前为止，基于光频梳的应用大多是采用飞秒激光光频梳实现的，主要是蓝宝石，掺铒掺镱等稀土离子掺杂的光纤锁模激光器。虽然光纤锁模激光器已经发展成了成熟的商用光频梳光源，但是其较大的空间占用及其较低的输出重复频率（1GHz）限制了进一步的应用。

2007年，一种利用高谐振品质因子(Q)微谐振腔的参量频率转换技术实现光频率梳的新原理被报道。其中等间隔的频率模式是由一个已知频率的连续波泵浦激光器与一个超高Q微谐振器的模式之间的相互作用通过克尔非线性产生的。与飞秒锁模激光器相比，基于高Q微谐振腔的克尔光频梳，实现了芯片级集成，10-1000GHz范围的高重复频率以及微波频率到光频的连接，进一步的扩展了频率梳的应用范围，这项新技术的出现给和基础科学和应用科学带来的新机遇。

孤子光频梳是一个重要的研究方向，基于微腔的孤子频率梳具有GHz量级的重复频率和飞秒级的脉冲宽度，迅速衍生出了诸如大规模并行相干通信，双梳光谱学，雷达，低噪微波信号产生等方面的应用。通常，孤子频率梳是通过平衡腔内非线性和色散、增益和损耗，在图灵态和高噪声态之后出现，通过能量积累和敏感的相位匹配关系逐步演化而来。因此，孤子频率梳一旦被稳定激发，就难以被动态调控。迄今为止，孤子频率梳的动态控制仍然是一个挑战。所以，开展超快克尔孤子频率梳的全光调控具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

针对目前商用的锁模激光频率梳和传统的克尔频率梳器件存在的问题，本发明要解决的技术问题是：发明一种成本低廉、高重复频率、能够实现孤子动态调控的光纤微球腔克尔频率梳，替代价格昂贵、低重复频率、无法动态调控的锁模激光频率梳和传统克尔频率梳。本发明通过在高Q的克尔谐振腔表面掺杂稀土离子，在控制激光的动态调控下实现了高重频稳定超短脉冲的开关输出。

二氧化硅微球，是一种球体结构的回音壁微谐振腔，是目前已知的光学谐振腔中品质因数最高的光学谐振腔，掺杂稀土离子微球回音壁谐振腔，是在微球回音壁谐振腔表面掺杂稀土离子形成的。高品质因子的二氧化硅微球，具有超长的光子寿命和极低克尔非线性激发阈值。此外，微球表面的稀土离子离子吸收控制光子的能量后会跃迁到高能级上，形成粒子数反转，通过受激辐射得到大量的相干光子，补偿了腔的损耗，调节了腔的折射率。优选的，包含至少一个表面掺稀土离子的二氧化硅微球，二氧化硅微球的直径为200-600微米，通过光纤熔接机对单模光纤进行1-3次电弧放电，经蘸取由稀土离子水合物（NdCl₃·6H₂O或TmCl₃·6H₂O或YbCl₃·6H₂O或ErCl₃·6H₂O）、纯水和酒精混合制成稀土离子溶液后，其中稀土离子水合物重量为3%-4%，纯水重量为20%-30%、酒精重量为70%-80%，采用氢氧焰灼烧去除表面的酒精和水，并通过光纤熔接机再次放电进行退火；最后得到直径为200-600微米，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，其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，易于与光学谐振腔发生高效率耦合。