[发明专利]基于零色散FP微谐振腔的超宽谱孤子光频梳产生装置

说明书

一种基于零色散法布里‑珀罗微腔的超宽谱孤子光频梳产生装置，包括可调脉冲光激光器、第一连接光纤、光放大器、第二连接光纤、偏振控制器、第三连接光纤、环形器、第四连接光纤、辅助测试光纤、零色散FP微谐振腔、输出光纤、耦合器、耦合器第一支路光纤、带通滤波器、第五连接光纤、第一光电探测器、第一射频连接线、频谱仪、耦合器第二支路光纤、第二光电探测器、第二射频连接线和示波器。本发明能够有效的存储光泵浦能量，从而降低对泵浦脉冲功率的要求。此外，FP微谐振腔具有非线性滤波效应，能够显著降低脉冲泵浦的频率噪声，使得宽度光频梳之间具有更好的相干性。

技术领域

本发明涉及基于微谐振腔的光学频率梳技术领域，是一种基于零色散法布里-珀罗(FP)微腔的超宽谱孤子光频梳产生装置及操作方法。

背景技术

基于微谐振腔产生的孤子光频梳具有重复频率高、光谱带宽大以及相位噪声低的优点，是一种替代传统高能耗、笨重台式光源的潜在理想方案，在光频合成、相干光通信、激光雷达、相干光层析以及光原子钟等领域都有重要的应用价值。

然而，相比于传统的基于锁模激光器的光频梳产生方案，微腔中的孤子光频梳却存在一个长期以来亟待解决的问题，其不能在拥有大光谱带宽的同时，保持一个较小的重复频率(通常要求≤20GHz，以便直接对拍频信号进行光电探测和后续信号处理)。这一点对于微腔光梳的应用十分重要，因为大谱宽有助于光频梳的自参考锁定(即f-2f或2f-3f测量，谱宽至少覆盖2/3倍频程)，而小的重复频率能够保证拍频信号的可探测性和可处理性。为了解决这个问题，美国国家标准技术研究所(NIST)的研究人员使用了非常复杂的锁频装置来弥补微腔光频梳的这个缺点(Optica,2019,6(5):680)。他们首先在大纵模间距(1THz)的氮化硅微环中产生宽频谱光梳用于自参考锁定，然后在另一种小纵模间距(22GHz)的氧化硅微环中产生宽频谱光梳用于拍频信号的光探测。而且，两种光梳间还需要采用复杂的互锁方案稳定，这大大增加了实验的难度。

而在零色散微腔中产生孤子光频梳有望解决上述微腔光梳无法兼备小重频和大谱宽的难题。微腔中的色散会引起谐振峰与光频梳的频率失匹，导致光梳能量转换效率在泵浦光两翼逐渐降低。降低微腔的色散值有助于孤子光梳的谱宽展宽。然而，要制备零色散的高Q值微腔对工艺平台的色散管理和损耗管控提出了极高的要求。因此，目前国内外科研人员对零色散微腔孤子光频梳的研究仅处于起步阶段。

基于光纤的FP微腔方案利用成熟的光纤加工以及反射膜镀膜工艺可以制备出小纵模间距、高Q值的微谐振腔，非常适合制备零色散微腔。目前已报道的基于光纤FP微腔的孤子光频梳方法主要有以下几种：

方案1：

基于单模光纤的FP微腔方案(Nature Photonics,2017,11(9):600)。该方案采用同步脉冲泵浦，首次在光纤FP微腔中产生了重频为～10GHz的孤子光频梳。但是受限于单模光纤的色散以及非线性系数，孤子光梳在-30dB功率范围内的带宽80nm。虽然解决了光频梳重频可探测的问题，但是较窄的谱宽使其无法用于光梳自参考频率锁定。

方案2：

基于单层石墨烯的FP微腔方案(CN109494559A)。该方案利用石墨烯材料的可饱和吸收特性，可以在腔内自发的形成单孤子光频梳。但是由于腔内单层石墨烯的加入，导致腔内损耗增大，微腔Q值降低。该方案虽然解决了孤子调谐的难题，但是较低的光梳能量转换效率使孤子光梳的谱宽受到限制。

方案3：

基于腔内滤波特性的正常色散FP微腔方案(CN111580321A)。该方案通过反射膜在腔内引入带通滤波特性，能够在正常色散微腔中产生功率平坦的光频梳。虽然该方案产生孤子光梳的重频为～10GHz,但是孤子光梳的光谱宽度受限于腔内通带滤波器的带宽，也无法产生宽谱的孤子光频梳。