CN115857246A

CN115857246A - 一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法

Info

Publication number: CN115857246A
Application number: CN202211599589.2A
Authority: CN
Inventors: 秦冠仕; 张绪成; 贾志旭; 秦伟平
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明公开了一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，属于光学频率梳技术领域；采用基于布里渊激光腔的腔内色散调控的方式，在全负色散的布里渊激光腔中引入正色散光纤，调控正、负色散光纤的长度，使整个激光腔的净色散为近零负值。当正、负色散和非线性效应，增益和损耗达成双重平衡，会产生具有平顶包络的宽脉宽时域亮孤子，利用调制不稳定性增益放大孤子光频梳的光谱边带，实现孤子频率梳输出光谱平坦性的提升。产生的平顶亮孤子由于脉宽较宽，与双波长布里渊激光有较大的时域交叠，对应的平顶孤子频率梳具有较高的转化效率；通过改变双波长激光源的频率间隔，获得重复频率可调谐的平顶亮孤子脉冲和平顶孤子频率梳。

Description

一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法

技术领域

本发明属于光学频率梳技术领域，具体涉及一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法。

背景技术

光学频率梳是一种在频域具有等间隔分布频率分量，在时域具有固定重复频率的脉冲光源。它有效地实现了光学频率与微波频率的互联，推动了精密光谱学、光学测量技术、相干光通信、光钟等众多学科领域的发展，是当今激光与时间频率学科的前沿技术。目前，基于克尔非线性光学腔获得孤子光学频率梳是光学频率梳最主流的产生方式，它所产生的光学频率梳具有光滑的光谱包络，且具有高相干、低噪声的特点，并且，其对应的时域腔孤子是一种可在传输过程中保持脉冲形状不变的超短脉冲激光。由于这些特性使其在孤子双梳光谱学、大规模并行相干光通信、孤子微梳测距等领域得到了广泛的应用。尽管基于克尔微腔的孤子频率梳研究和应用已取得重大进展，不过，目前利用克尔非线性光学腔产生的时域腔孤子和孤子频率梳仍存在不足之处。

首先，目前基于克尔光学腔产生的时域腔孤子大多工作于反常色散区，当腔内的非线性效应与反常色散、增益与损耗之间达到双重平衡时，便会产生满足双曲正割函数的孤子脉冲，其对应的频域光谱也具有双曲正割包络，在远离泵浦光频率的位置，梳齿的强度快速衰减，光谱平坦性差，而在光通信、激光雷达测距、微波光子信号处理等领域应用中需要具有平坦光谱特性的光学频率梳；其次，基于具有反常色散特性的克尔光学腔所产生的孤子脉冲由于具有双曲正割包络，脉宽窄，与作为驱动光的单波长连续光的时域重叠小，相应孤子频率梳的转化效率低，限制了该类频率梳的广泛应用；另外，虽然目前在具有正常色散特性的克尔微腔中实现了具有高转化效率的平顶光学频率梳，不过，这种频率梳的产生依赖于复杂的诱导调制不稳定性的激励手段，且其光谱带宽与在具有反常色散微腔中产生的孤子频率梳相比相对较小；并且，基于单波长泵浦克尔光学腔产生的时域腔孤子和孤子频率梳的重复频率受到腔长的限制，难以大范围的调谐，而具有大范围重复频率可调谐的频率梳在光通信、光传感、光谱学、太赫兹波产生等方面具有很重要的应用。

发明内容

为了克服当前光学频率梳的上述不足，本发明提供了一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，该方法采用基于布里渊激光腔的腔内色散调控的方式，在原本由全负色散(反常色散)光纤组成的光纤布里渊激光腔中引入正色散(正常色散)的光纤，通过优化设计腔中的负色散和正色散光纤的长度，调控整个克尔非线性腔的净色散使其为近零负值，能够得到时域包络为平顶的亮孤子脉冲，同时，利用腔内周期性的正、负色散调制，会产生调制不稳定性增益，增强孤子光频梳相应频率处的梳齿强度，进而提高孤子频率梳输出光谱的平坦性。

本发明提出提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法原理如下：

在原本由全负色散光纤组成的布里渊激光腔中引入正色散的光纤，腔内布里渊激光脉冲在负色散光纤中传输时被压缩、在正色散光纤中传输时会被展宽；通过优化设计腔内正、负色散光纤的长度，调控整个光纤布里渊激光腔的净色散为净零负值时，正、负色散和非线性效应，增益和损耗会达成新的双重平衡，产生具有平顶包络的宽脉宽时域亮孤子脉冲；并且，随着腔内泵浦功率的提升，脉冲在腔内不断循环时会因正、负色散的交替激发调制不稳定性，在平顶亮孤子的脉冲顶部形成振荡，并被开关波效应锁定；同时，这种调制不稳定性也会在由双波长布里渊激光级联四波混频效应产生的孤子频率梳的泵浦光两侧产生增益，使泵浦光两侧的梳齿强度增强，产生光谱平坦的孤子频率梳。此外，由于所产生的宽脉宽平顶亮孤子与双波长布里渊激光脉冲有更大的时域交叠，因而对应的平顶孤子频率梳具有更高的转化效率。

本发明通过如下技术方案实现：

一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，具体包括如下步骤：

在原本由全负色散光纤组成的布里渊激光腔中引入正色散的光纤，腔内布里渊激光脉冲在负色散光纤中传输时被压缩、在正色散光纤中传输时会被展宽；通过优化设计腔中正、负色散光纤的长度，调控整个光纤布里渊激光腔的净色散为净零负值时，由于正、负色散和非线性效应，增益和损耗会达成新的双重平衡，产生具有平顶包络的宽脉宽时域亮孤子脉冲；随着泵浦功率的提升，平顶亮孤子脉冲在腔中循环时会因正、负色散的交替而激发调制不稳定性，在平顶亮孤子的脉冲顶部形成振荡并被开关波效应锁定；同时，该调制不稳定性会在由双波长布里渊激光级联四波混频效应产生的孤子频率梳的泵浦光两侧产生增益，使泵浦光两侧的梳齿强度增强，进而提高孤子频率梳输出光谱的平坦性。

进一步地，所述腔内布里渊激光脉冲是通过双波长激光注入到所述布里渊激光腔中，当双波长激光的功率超过受激布里渊阈值时，产生与其传输方向相反的等频率间隔的双波长布里渊激光，所产生的布里渊激光总是位于腔谐振波长处，以此作为腔内泵浦光驱动激光腔。

进一步地，所述双波长激光的波长分别为1560.20nm和1561.02nm、频率间隔为100GHz、平均功率为2280mW。

进一步地，所述双波长激光的波长分别为1560.20nm和1562.64nm、频率间隔为300GH、平均功率为2280mW。

进一步地，所述全负色散光纤具体是指由长度为20m的商用高非线性光纤及长度为2.04m的单模光纤的组成，所述商用高非线性光纤的非线性系数为10W^-1km^-1，所述单模光纤的非线性系数为1W^-1km^-1；所述引入的正色散的光纤为长度为0.8m的色散补偿光纤，非线性系数为1.5W^-1km^-1，为近零负值。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，以光纤布里渊激光腔作为产生孤子频率梳的克尔非线性腔，通过在腔中引入布里渊增益，所产生的双波长布里渊激光总是位于腔谐振波长处，以此作为腔内泵浦光驱动激光腔；当腔内激光功率增加时，由于克尔效应，所产生的双波长布里渊激光自动位于腔红移失谐频率处，无需人为精细调谐泵浦光频率便可自发地产生孤子频率梳；

2、本发明通过在原本全负色散的布里渊激光腔中引入正色散的光纤，优化设计腔中正、负色散光纤的长度，使整个腔的净色散处于近零负值，无需复杂的激励手段(如模间耦合效应，泵浦光调制等)，当腔中的正、负色散和非线性效应，增益和损耗达成新的双重平衡后，便会产生具有平顶包络的时域亮孤子脉冲和光谱平坦的孤子频率梳；

3、相比传统的单波长连续光驱动全负色散克尔光学腔所产生的双曲正割型时域腔孤子，本发明所产生的宽脉宽平顶亮孤子与双波长布里渊激光脉冲有更大的时域交叠，对应的平顶孤子频率梳具有更高的转化效率；

4、本发明所产生的平顶亮孤子脉冲和平顶孤子频率梳可以通过改变双波长激光源的频率间隔实现重复频率大范围调谐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1：本发明所述的提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法的原理图；(a)产生平顶亮孤子和平顶孤子频率梳的实验装置示意图；(b)正、负色散和非线性效应，双波长泵浦光提供的增益与损耗达到双重平衡后，产生平顶亮孤子的原理图；

图2：本发明实施例1中所述的组成布里渊激光腔的三种不同光纤的群速度色散(GVD)随波长的变化关系；

图3：本发明实施例1中所述的提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，当组成布里渊激光腔的三种光纤，高非线性光纤长度为20m，单模光纤长度为2.04m，色散补偿光纤的长度为0.8m，双波长激光平均功率为2300mW，重复频率为100GHz时，数值仿真(忽略高阶色散)所得的(a)输出时域脉冲和频域光谱，(b)参量增益随相对泵浦波长的频移量和腔内功率的变化关系，以及(c)对应图(a)的腔内功率为2860mW时的参量增益谱；

图4：本发明实施例1中所述的基于光纤布里渊激光腔的平顶亮孤子和平顶孤子频率梳，双波长激光平均功率为2280mW，重复频率为100GHz时，输出的(a)光谱测试结果和(b)时域仿真结果，以及降低双波长激光功率至平均功率为1100mW时，实验测得的(c)时域脉冲和仿真结果；

图5：本发明实施例1中双波长激光平均功率为2280mW，重频为300GHz时，输出的(a)光谱测试结果和(b)时域仿真结果。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例1

本实施例的一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，如图1(a)所示为本发明所述的基于布里渊激光腔腔产生平顶孤子频率梳的原理图；布里渊激光腔由具有正、负色散的不同光纤组成，调控不同光纤的长度，使整个光纤布里渊激光腔的净色散为近零负值。双波长激光注入到该光纤布里渊激光腔中，当双波长激光的功率超过受激布里渊阈值时，产生与其传输方向相反的等频率间隔的双波长布里渊激光，所产生的布里渊激光总是位于腔谐振波长处，以此作为腔内泵浦光驱动激光腔，布里渊激光脉冲在腔中传输时在负色散光纤中被压缩，而在正色散光纤中被展宽；当腔内激光功率增加时，由于克尔效应，所产生的双波长布里渊激光自动位于腔红移失谐频率处，无需人为精细调谐泵浦光频率便达到产生时域腔孤子的必要条件。随着脉冲在克尔非线性腔中的不断循环，如图1(b)所示，当腔中的正、负色散和非线性效应，双波长布里渊激光提供的增益和损耗达成新的双重平衡后，便会产生具有平顶包络的时域亮孤子脉冲和平顶孤子频率梳。

利用布里渊激光腔腔内色散调控的方式，当双波长激光的波长分别为1560.20nm和1561.02nm、频率间隔为100GHz、平均功率为2280mW时，将其注入腔长为22.84m的色散调控光纤布里渊激光腔中，获得平顶亮孤子和平顶孤子频率梳。色散调控的光纤布里渊激光腔由三种不同的光纤组成，它们的群速度色散随波长的变化关系如图2所示。其中长度为20m的商用高非线性光纤在工作波长为负色散，并且在工作波长附近色散近零平坦，用于产生布里渊增益和发生四波混频效应的参量增益，其非线性系数为10W^-1km^-1；长度为2.04m的单模光纤为环形器、输出耦合器等光学器件的尾纤，在工作波长也为负色散，其非线性系数为1W^-1km^-1；而用于补偿负色散的正色散光纤为0.8m长的色散补偿光纤，非线性系数为1.5W^-1km^-1。整个光纤布里渊激光腔的净色散为-2.171×10^-3ps²，为近零负值。

图3为对本实施例不考虑高阶色散的理论仿真结果，其中图3(a)为双波长频率间隔为100GHz时，时域脉冲与频域光谱的输出结果。可以看出，输出的时域脉冲为顶部带有振荡的宽脉宽平顶亮孤子，该顶部振荡由平顶亮孤子脉冲在正、负色散光纤中不断循环而激发的调制不稳定性引起，并被开关波效应锁定；并且该调制不稳定性也会在由双波长布里渊激光级联四波混频效应产生孤子频率梳的泵浦光两侧产生增益，使泵浦光两侧的梳齿强度增强，形成光谱平坦的孤子频率梳。这种调制不稳定性增益可定量地计算，如图3(b)所示为理论计算所得参量增益随频移量和腔内功率的变化关系,图3(c)为图3(a)对应的腔内功率为2860mW时的参量增益谱，可以看出，计算所得的调制不稳定性增益峰相对泵浦光的频移量(5THz)与图3(a)所示的光谱平顶区域峰值相对泵浦光的频移量吻合，证明调制不稳定性产生的增益会增强泵浦光两侧的梳齿强度，从而提高孤子频率梳输出光谱的平坦性。此外，由于所产生的宽脉宽平顶亮孤子与双波长布里渊激光脉冲有更大的时域交叠，因而对应的平顶孤子频率梳具有更高的转化效率，达到12.3％。

图4为本实施例所述当双波长激光平均功率为2280mW，重复频率为100GHz时，注入腔内色散调控的布里渊激光腔后的(a)光谱测试结果。从图中可以看出，光谱具有平顶包络，平坦光谱区域覆盖1537nm至1588nm。此外，光谱中包含超过200根梳齿，光谱范围为1460nm-1640nm，具有较宽的光谱带宽。图4(a)中的虚线包络为考虑了高阶色散和拉曼效应后的理论仿真结果，与实验测得的光谱相近，其对应的时域脉冲如图4(b)所示，为顶部带有振荡的宽脉宽平顶亮孤子。由于高阶色散和拉曼效应的影响，脉冲顶部的振荡并不对称。图4(c)为本实施例降低双波长激光平均功率至1100mW时，测得的平顶亮孤子脉冲，当泵浦功率相对较低时，腔中的调制不稳定性尚未被激发，脉冲顶部不会出现振荡，虚线为数值仿真得到的结果，与实验测试结果相符。

图5(a)为本实施例改变双波长泵浦光波长分别为1560.20nm和1562.64nm、频率间隔为300GHz、平均功率为2280mW时，将其注入色散调控的光纤布里渊激光腔中，获得的平顶孤子频率梳。在泵浦光两侧，光谱具有平顶包络，平坦光谱区域覆盖1533nm至1590nm。图5(a)中的虚线包络为考虑了高阶色散和拉曼效应后的理论仿真结果，与实验测得的光谱相符，其对应的时域脉冲如图5(b)所示，同样为顶部带有振荡的宽脉宽平顶亮孤子。图5所示结果表明基于布里渊激光腔产生平顶孤子频率梳可通过改变双波长激光的频率间隔实现重复频率大范围可调谐。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，其特征在于，所述双波长激光的波长分别为1560.20nm和1561.02nm、频率间隔为100GHz、平均功率为2280mW。

3.如权利要求1所述的一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，其特征在于，所述双波长激光的波长分别为1560.20nm和1562.64nm、频率间隔为300GH、平均功率为2280mW。

4.如权利要求1所述的一种提高基于布里渊激光腔孤子光学频率梳输出光谱平坦性的方法，其特征在于，所述全负色散光纤具体是指由长度为20m的商用高非线性光纤及长度为2.04m的单模光纤的组成，所述商用高非线性光纤的非线性系数为10W^-1km^-1，所述单模光纤的非线性系数为1W^-1km^-1；所述引入的正色散的光纤为长度为0.8m的色散补偿光纤，非线性系数为1.5W^-1km^-1，为近零负值。