[發明專利]基于零色散FP微諧振腔的超寬譜孤子光頻梳產生裝置

有效

• 申請號: 202110184763.6
• 申請日: 2021-02-10
• 公開（公告）號: CN112987445B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 吳侃;肖澤宇;李鐵映;陳建平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G02F1/225;G02F1/21
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于零色散法布里?珀羅微腔的超寬譜孤子光頻梳產生裝置，包括可調脈沖光激光器、第一連接光纖、光放大器、第二連接光纖、偏振控制器、第三連接光纖、環形器、第四連接光纖、輔助測試光纖、零色散FP微諧振腔、輸出光纖、耦合器、耦合器第一支路光纖、帶通濾波器、第五連接光纖、第一光電探測器、第一射頻連接線、頻譜儀、耦合器第二支路光纖、第二光電探測器、第二射頻連接線和示波器。本發明能夠有效的存儲光泵浦能量，從而降低對泵浦脈沖功率的要求。此外，FP微諧振腔具有非線性濾波效應，能夠顯著降低脈沖泵浦的頻率噪聲，使得寬度光頻梳之間具有更好的相干性。

技術領域

本發明涉及基于微諧振腔的光學頻率梳技術領域，是一種基于零色散法布里-珀羅(FP)微腔的超寬譜孤子光頻梳產生裝置及操作方法。

背景技術

基于微諧振腔產生的孤子光頻梳具有重復頻率高、光譜帶寬大以及相位噪聲低的優點，是一種替代傳統高能耗、笨重臺式光源的潛在理想方案，在光頻合成、相干光通信、激光雷達、相干光層析以及光原子鐘等領域都有重要的應用價值。

然而，相比于傳統的基于鎖模激光器的光頻梳產生方案，微腔中的孤子光頻梳卻存在一個長期以來亟待解決的問題，其不能在擁有大光譜帶寬的同時，保持一個較小的重復頻率(通常要求≤20GHz，以便直接對拍頻信號進行光電探測和后續信號處理)。這一點對于微腔光梳的應用十分重要，因為大譜寬有助于光頻梳的自參考鎖定(即f-2f或2f-3f測量，譜寬至少覆蓋2/3倍頻程)，而小的重復頻率能夠保證拍頻信號的可探測性和可處理性。為了解決這個問題，美國國家標準技術研究所(NIST)的研究人員使用了非常復雜的鎖頻裝置來彌補微腔光頻梳的這個缺點(Optica,2019,6(5):680)。他們首先在大縱模間距(1THz)的氮化硅微環中產生寬頻譜光梳用于自參考鎖定，然后在另一種小縱模間距(22GHz)的氧化硅微環中產生寬頻譜光梳用于拍頻信號的光探測。而且，兩種光梳間還需要采用復雜的互鎖方案穩定，這大大增加了實驗的難度。

而在零色散微腔中產生孤子光頻梳有望解決上述微腔光梳無法兼備小重頻和大譜寬的難題。微腔中的色散會引起諧振峰與光頻梳的頻率失匹，導致光梳能量轉換效率在泵浦光兩翼逐漸降低。降低微腔的色散值有助于孤子光梳的譜寬展寬。然而，要制備零色散的高Q值微腔對工藝平臺的色散管理和損耗管控提出了極高的要求。因此，目前國內外科研人員對零色散微腔孤子光頻梳的研究僅處于起步階段。

基于光纖的FP微腔方案利用成熟的光纖加工以及反射膜鍍膜工藝可以制備出小縱模間距、高Q值的微諧振腔，非常適合制備零色散微腔。目前已報道的基于光纖FP微腔的孤子光頻梳方法主要有以下幾種：

方案1：

基于單模光纖的FP微腔方案(Nature Photonics,2017,11(9):600)。該方案采用同步脈沖泵浦，首次在光纖FP微腔中產生了重頻為～10GHz的孤子光頻梳。但是受限于單模光纖的色散以及非線性系數，孤子光梳在-30dB功率范圍內的帶寬80nm。雖然解決了光頻梳重頻可探測的問題，但是較窄的譜寬使其無法用于光梳自參考頻率鎖定。

方案2：

基于單層石墨烯的FP微腔方案(CN109494559A)。該方案利用石墨烯材料的可飽和吸收特性，可以在腔內自發的形成單孤子光頻梳。但是由于腔內單層石墨烯的加入，導致腔內損耗增大，微腔Q值降低。該方案雖然解決了孤子調諧的難題，但是較低的光梳能量轉換效率使孤子光梳的譜寬受到限制。

方案3：

基于腔內濾波特性的正常色散FP微腔方案(CN111580321A)。該方案通過反射膜在腔內引入帶通濾波特性，能夠在正常色散微腔中產生功率平坦的光頻梳。雖然該方案產生孤子光梳的重頻為～10GHz,但是孤子光梳的光譜寬度受限于腔內通帶濾波器的帶寬，也無法產生寬譜的孤子光頻梳。