[发明专利]一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及产生方法

说明书

本发明涉及一种光学频率梳，具体涉及一种基于微腔的重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及其产生方法。本发明频梳源包括孤子频梳光学模块、输出端口和控制系统，其中孤子频梳光学模块包括泵浦激光器、控制激光器和高品质因子片上光学微腔。本发明方法利用控制光与泵浦光的拍频产生周期性的光场，用于光时域孤子的捕获，从而实现腔内光孤子的均匀分布；并通过调节控制光的位置，改变微腔内背景场的周期数，实现孤子光频梳重频的调控。本发明所提供的技术方案具有体积小、成本低、光频梳重频可调、稳定性高和可操控性强的优势，解决了微腔光频梳的确定性调控问题。

技术领域

本发明涉及一种光学频率梳系统，具体涉及一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及产生方法。

背景技术

光学频率梳(光频梳)是由一系列离散的、等间隔的频率梳齿组成的像梳子一样形状的光谱。得益于光学频梳的超高频率稳定性，光学频率梳为光学频率测量、超高精度时频标准、精密测量等领域得到了广泛的应用。目前光学频率梳经历了频率链、锁模激光器频率梳和片上集成克尔光频梳三代技术，其中片上集成克尔光频梳具有体积小、重量轻、功耗低、重频高等优势，成为近年来的一个研究热点。

随着片上孤子光频梳技术的日益成熟，片上孤子光频梳已经成功应用于光通信系统、精密测量、微波技术、量子技术、光谱学、光钟等领域。目前片上光频梳应用的一个困难是其能量转化效率较大，单孤子频梳的转换效率在5％以下。提升能量转换效率的一个有效方法是增加光学微腔内的孤子数，然而，孤子在光学微腔内的位置是随机的，各孤子光谱的干涉使其光谱能量难以平坦化，同时，腔内孤子数通常也是随机的，对孤子数的精确控制目前仍是一个难题，限制了其应用价值。此外，片上光波导的弯曲半径受折射率的限制，无法直接加工出超大自由光谱范围的片上光学微腔，因此难以直接产生重频大于1THz的孤子光频梳。片上孤子晶体光频梳的出现为提升光频梳的能量转化效率和提高孤子频梳的重频提供了新的解决思路。目前片上孤子晶体光频梳的实现主要依赖微腔的模式交叉效应，其模式交叉点随着器件的制备完成而确定，并且在器件加工工艺并不能对模式交叉点进行精确控制，导致产生孤子晶体频梳的泵浦光位置受到器件的限制。此外，目前报道的孤子晶体频梳大多重频在THz以上，并不能对其进行任意控制。综上，片上孤子频梳的操控具有较大的技术难度，实现孤子光频梳的自由操控是其应用亟待解决的问题。

发明内容

针对微波光子学、精密测量和并行光纤通信系统等对高频率间隔光频梳源的需求，特别是片上集成重频可自由调谐的光频梳源的需求，本发明提供了一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源及产生方法，其产生的光频梳信号具有噪声低、体积小、操作容易、环境稳定性好等优点。

本发明的技术方案是：

一种重频可调谐的集成完美孤子晶体频梳源，其特殊之处是：包括孤子频梳光学模块、输出端口和控制系统；所述孤子频梳光学模块包括泵浦激光器、控制激光器和片上光学微腔；其中：泵浦激光器的工作波长可以通过驱动电流进行调节，其与片上光学微腔的输入端口通过低传输损耗波导相连；控制激光器的波长可通过腔结构进行调节，其与片上光学微腔的上传端口通过低传输损耗波导相连，且控制激光器的波长最大调节范围大于片上光学微腔的一个自由光谱范围；所述输出端口为空间准直激光输出端口或者光纤输出端口；所述孤子频梳光学模块与输出端口耦合；所述控制系统用于泵浦激光器的驱动和波长微调、控制激光器驱动和波长调节、频梳源工作温度的控制及调谐片上光学微腔的谐振峰位置。

进一步地，上述泵浦激光器、控制激光器和片上光学微腔为混合集成结构；或者，所述孤子频梳光学模块为异质单片集成的孤子频梳芯片。

进一步地，上述孤子频梳光学模块和输出端口通过片上模场转换和外部透镜结构进行低插损耦合。

进一步地，上述片上光学微腔具有负色散系数和超高品质因子，其因光激励产生光参量振荡效应的阈值功率小于泵浦激光器的发射功率。

进一步地，上述泵浦激光器为高功率单频窄线宽半导体激光器，具有足够的发射功率激励片上光学微腔产生孤子频梳；