光學微腔中克爾光梳的確定性孤子鎖模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光通信技術領域，更為具體地講，設及一種光學微腔中克爾光梳的確 定性孤子鎖模方法。
【背景技術】
[0002] 光學頻率梳，或簡稱光梳的發(fā)明為精密時間/頻率測量提供了革命性的工具。光 梳如同一個光學齒輪組，能夠把光學頻率精確地分頻到較低的微波頻率，實現光學頻率標 準向微波頻率的精密傳遞，從而促進了光鐘的發(fā)展，極大提高了時間計量的精確度。此外， 光梳還被用于精密光譜學、天文光譜校準、超穩(wěn)微波振蕩器、高速光通信等諸多領域。目前， 絕大多數光梳都是基于鎖模飛秒激光器產生的。運類設備結構復雜，體積龐大，價格昂貴。 例如，德國MenloSystems公司提供的飛秒激光光梳頻率合成系統(tǒng)，僅光學部分的尺寸就達 至IJ706X716X139mm，重量達到80公斤，售價很高。因此，飛秒激光光梳的應用受到限制，目 前通常僅限于在實驗室內使用，無法廣泛推廣。
[0003] 針對上述問題，近幾年來出現了一種嶄新的光梳產生技術方案。該方案基于超 高品質因數（Q-factor，后簡稱Q值）光學微腔中的克爾參量四波混頻（FWM= ^ur-Wave mixing)效應來產生高穩(wěn)定性的等間隔光頻率分量，簡稱為克爾光梳。與飛秒激光器相比， 克爾光梳采用的高Q值光學微腔直徑通常在IcmW內，從而可W極大地縮小光梳設備的尺 寸，使之成為實用化的器件。因此，克爾光梳在未來極有可能取代目前的飛秒激光器光梳， 成為下一代光梳設備的主要技術方案，在基礎物理研究及精密測量技術中發(fā)揮重要作用。 小型化、集成化的克爾光梳器件還有望將光梳的應用擴大到更廣泛的領域，包括高精度GPS 定位，化學傳感與探測，激光雷達，任意波形發(fā)生，高速光通信等。
[0004] 盡管如此，與傳統(tǒng)的飛秒激光器光梳相比，基于克爾光梳的模式鎖定和超短激光 脈沖產生目前還沒有成熟的方案。現有方案存在W下關鍵問題：目前的克爾光梳模式鎖定 具有隨機性，在鎖模過程中，腔內產生的鎖模脈沖數目是隨機的，對應的光梳頻譜包絡也是 隨機而雜亂的（光梳譜線起伏大），光梳鎖模后受到各種內在和外部因素的擾動，穩(wěn)定性較 差。因此，要實現克爾光梳的實際應用，需要提出新的確定性的克爾光梳模式鎖定機制。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種光學微腔中克爾光梳的確定性 孤子鎖模方法，克服現有克爾光梳鎖模方案隨機性強、可靠性差且易受擾動等問題，從而快 速地、確定性地實現孤子鎖模。
[0006] 為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明光學微腔中克爾光梳的確定性孤子鎖模方法包括W 下步驟：
[0007] Sl:產生累浦激光，累浦激光功率Pp胃根據W下公式計算得到：
[0009] 其中，n。為光學微腔折射率，VWf為光學微腔的等效模式體積，At表示光學微腔諧 振峰的波長，ri2為光學微腔的非線性折射率，Q為光學微腔的品質因子，a為累浦功率控制 因子，其取值范圍為〇<a<1;
[0010] S2 :對累浦激光進行相位調制，調制信號的頻率與光學微腔的自由頻譜寬度一致， 調制信號的幅度Am= 2+0. 25D3X1039,其中化表示光學微腔的=階色散值；
[0011] S3:將相位調制后的累浦激光通過微腔禪合器禪合進入光學微腔，控制禪合系數 使得光學微腔工作在臨界禪合狀態(tài)； 陽〇1引S4 :累浦激光進入光學微腔后，累浦激光的初始波長為A。=C入y(C-0. 2FSRXn。AJ，其中At表示光學微腔諧振峰的波長，C表示光速，FSR為微腔的自由頻 譜寬度；然后從初始波長A。向短波長掃描累浦激光，在光學微腔輸出端采集輸出累浦激光 的光譜，一旦當前累浦激光的光譜具有平滑包絡，說明此時已完成孤子鎖模，停止掃描。
[0013] 其中，步驟Sl中累浦功率控制因子a的取值范圍為0. 5《a《0. 8。
[0014] 其中，步驟S4中波長掃描采用離散分步的方式，掃描步長轉換為頻率單位為 0. 05XL。，L。為光學微腔諧振模式的線寬。
[0015] 其中，步驟S4中判斷光譜是否具有平滑包絡的方法為：對于采集到的輸出累浦激 光的光譜，提取當前累浦激光波長兩側噸個光梳譜線的峰值功率，然后將提取到的光梳譜 線峰值功率進行微分運算，如果滿足累浦激光波長短波方向微分結果全部為正，長波方向 微分結果全部為負，則判定其具有平滑包絡。
[0016] 其中，參數Ms= 0.SXMeemb,Meemb表示產生光譜頻譜的40地頻譜寬度。
[0017] 本發(fā)明光學微腔中克爾光梳的確定性孤子鎖模方法，設置累浦激光功率小于光學 微腔參量振蕩闊值功率，對產生的累浦激光進行調制，調制信號的頻率與光學微腔的自由 頻譜寬度一致，調制信號幅度根據光學微腔的=階色散值來計算得到，將相位調制后的累 浦激光通過微腔禪合器禪合進入光學微腔，控制禪合系數使得光學微腔工作在臨界禪合狀 態(tài)，在光學微腔中，從長波長方向向短波長方向掃描累浦激光，在光學微腔輸出端采集輸出 累浦激光的光譜，一旦當前累浦激光的光譜具有平滑包絡，說明此時已完成孤子鎖模，停止 掃描。
[0018] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0019] (1)根據光學微腔參數來設置累浦激光功率、相位調制信號的頻率與幅度，可W使 光梳的產生及孤子鎖模過程具有確定性，并且可W避免高階色散對孤子鎖模的擾動；
[0020] (2)采用長波長向短波長掃描，可W使掃描過程中光學微腔內總功率維持相對穩(wěn) 定，使整個光學微腔可W保持在熱穩(wěn)定狀態(tài)。
【附圖說明】
[0021] 圖1是光學微腔克爾光梳產生裝置示意圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明光學微腔中克爾光梳的確定性孤子鎖模方法的流程圖；
[0023] 圖3是相位調制后的累浦激光頻譜圖；
[0024] 圖4是具有平滑包絡的克爾光梳頻譜圖；
[0025] 圖5是模式鎖定后的孤子脈沖波形；
[0026] 圖6是孤子鎖模過各中光學微腔內總功率變化曲線；
[0027] 圖7是微腔內孤子脈沖和累浦背景有效失諧量的變化圖；
[0028] 圖8克爾光梳產生過程中頻譜的動態(tài)演化圖；
[0029] 圖9是10次獨立孤子鎖模過程輸出光譜的疊加圖；
[0030] 圖10是相位調制幅度為3時光學微腔內波形動態(tài)演化圖；
[0031] 圖11是相位調制系數為0. 3時的累浦光譜圖；
[0032] 圖12是相位調制幅度為0. 3時光學微腔內波形動態(tài)演化圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，W便本領域的技術人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在W下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內容時，運些描述在運里將被忽略。
[0034] 實施例
[0035] 圖1是光學微腔克爾光梳產生裝置示例圖。如圖1所示，光學微腔克爾光梳產生 裝置包括累浦激光模塊、累浦調制模塊、光學微腔模塊和輸出監(jiān)測模塊。本實施例中采用可 調諧激光器作為累浦激光模塊，輸出波長可調的連續(xù)光，通過光纖輸入到累浦調制模塊。在 累浦調制模塊中，連續(xù)光累浦首先經過偏振控制器，然后進入到光電相位調制器。正弦信號 發(fā)生器產生正弦信號，作為調制信號輸入相位調制器。相位調制器采用調制信號對連續(xù)光 累浦進行調制，相位調制器的插入損耗由一個光放大器進行補償，然后再經過一個帶通濾 波器，濾除光放大器引入的自發(fā)福射噪聲。通過相位調制器后，累浦光頻譜將出現了多個調 制邊帶。相位調制后的累浦激光通過微腔禪合器禪合進入光學微腔。在光學微腔中對累浦 激光進行波長掃描。將光學微腔的輸出端通過光纖與一個光譜儀相連，用于監(jiān)測克爾光梳 的產生與模式鎖定狀態(tài)。
[0036] 本發(fā)明針對累浦激光的生成、調制W及光學微腔掃描過程進行改進，提出了光學 微腔中克爾光梳的確定性孤子鎖模方法。圖2是本發(fā)明光學微腔中克爾光梳的確定性孤子 鎖模方法的流程圖。如圖2所示，本發(fā)明光學微腔中克爾光梳的確定性孤子鎖模方法包括 W下步驟：
[0037] S201 :產生累浦激光：
[0038] 產生累浦激光，累浦激光功率Pp胃設置為小于為光學微腔中產生參量振蕩闊值功 率的值，即Pp胃的計算公式為：
[0040] 其中，n。為光學微腔折射率，VWf為光學微腔的等效模式體積，At表示光學微腔諧 振峰的波長，ri2為光學微腔的非線性折射率，Q為光學微腔的品質因子，a為累浦功率控制 因子，其取值范圍為0 <a< 1。
[0041] 設置累浦激光功率小于參量振蕩闊值，可W使得光學微腔中克爾光梳的產生完全 由相位調制邊帶直接的四波混頻產生，避免通過參量放大噪聲來產生調制不穩(wěn)定性邊帶， 從而保證所述光頻率梳的產生及孤子鎖模過程具有確定性。不過累浦激光的功率也不宜過 小，一般設置a的取值范圍為0. 5《a《0. 8。
[0042] S202 :累浦激光相位調制：
[0043] 采用累浦調制模塊對累浦激光進行相位調制，調制信號的頻率與光學微腔的自由 頻譜寬度（FSR) -致，調制信號的幅度Am=化0.25D3XIO39,其中化表示光學微腔的S階色 散值。根據光學微腔的=階色散參數設置累浦激光相位調制所采用的調制信號的幅度，可 W根據=階色散大小產生多個調制邊帶，使得在光梳產生及孤子鎖模過程中最終產生的耗 散腔孤子的群速度與相位調制累浦的群速度一致，避免累浦波形與孤子脈沖波形走離，有 助于實現累浦對孤子脈沖的快速鎖定。
[0044] S203 :向光學微腔輸入累浦激光：
[0045] 將相位調制后的累浦激光通過微腔禪合器禪合進入光學微腔，控制禪合系數使得 光學微腔工作在臨界禪合狀態(tài)。
[0046] S204 :累浦激光掃描：
[0047] 累浦激光進入光學微腔后，先將累浦激光的初始波長置于光學微腔諧振峰的長波 長方向，偏移量設為累浦諧振頻率相鄰自由頻譜寬度FSR的20 %，也就是說累浦激光的初 始波長為A。=CAy(c-〇.SFSR