技术领域
[0001] 本
发明涉及光通信、
微波光子学、
半导体光
电子学和非线性光学技术领域，更具体地，涉及一种基于单片集成微腔激光器而搭建的可调谐光频梳产生系统。
背景技术
[0002] 光频梳(OFCs)，又称光学
频率梳，是具有确定梳齿间隔的光频标尺，可以在红外、可见光、紫外波段产生。光频梳可将一个未知的光频与射频或微波频率标准连接，提高光频测量的
精度，在精确
光谱测量、任意
波形发生器、低噪声的微波
信号源等方面有着广泛的应用，还在光通信、分子识别、航天摄谱仪校准以及光学
原子钟等技术上有着极大的应用价值和发展前景。
[0003] 早期的光频梳技术依赖于
锁模激光器，但激光器的腔长通常较长，也就意味着生成的梳齿之间的间隔非常窄，通常小于10GHz。近些年，人们发现通过在非线性光学微腔和高非线性光纤内发生级联的四波混频效应也可以产生光频梳，常用的非线性光学
谐振腔材料有Si、SiO2、Si3N4、CaF2及熔融
石英硅，利用其Q值高、体积小的特点制作的无源谐振腔能够降低非线性
阈值从而提高四波混频效率，产生克尔微腔光频梳。
[0004] 本发明提供的基于InP、GaAs或其三元或四元化合物材料InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs的半导体微腔激光器是利用
侧壁的全反射实现对光场的强限制，具有很小的模式体积和高的Q值。半导体微腔激光器能够集
光源的产生和四波混频的发生于一体，直接产生可以作为产生频梳的
种子源的输出光，并通过高非线性光纤展宽，得到稳定光频梳。该频梳产生系统可以通过集成的方法实现，相对于锁模激光器不仅体积小、复杂度低、功耗小，最重要的是可以通过改变主激光器注入
电流的大小即可实现频梳的频率间隔从几GHz到几百GHz大范围的可调谐。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，以产生频率间隔较大且能灵活调节的光频梳。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，包括主激光器1、从激光器2、可调谐
滤波器3、光纤
放大器4、光隔离器5和高非线性光纤6，其中：
[0009] 主激光器1与从激光器2集成于同一个功能模
块上，主激光器1用于为从激光器2提供可调谐的注入
光信号；
[0010] 可调谐滤波器3，用于对自主激光器1及从激光器2输入的光信号进行可调谐过滤，并输出至光纤放大器4；
[0011] 光纤放大器4，用于放大光信号，达到高非线性光纤6工作需要的功率，并输出至光隔离器5；
[0012] 光隔离器5，用于保证光纤放大器4输出的光的单向输出至高非线性光纤6；
[0013] 高非线性光纤6，用于提供非线性介质，扩展级联四波混频,获得等频率间隔的，功率均匀分布的光频梳。
[0014] 上述方案中，所述主激光器1和所述从激光器2构成集成微腔激光器，所述主激光器1和所述从激光器2均为电注入回音壁模式的半导体微腔激光器。
[0015] 上述方案中，在所述集成微腔激光器中，固定从激光器2电流大小，调节主激光器1电流的大小，使主激光器1的谐振
波长靠近从激光器2的谐振波长，当二者波长差很小时，在集成微腔激光器的腔内发生四波混频效应，从激光器2输出的模式作为频梳产生的种子源。
[0016] 上述方案中，所述集成微腔激光器的输出经过可调谐滤波器3滤掉不需要的模式，然后经过高功率的光纤放大器4放大到足够的功率再经过光隔离器5和高非线性光纤6产生频梳，其中高非线性光纤6具有较高的非线性系数和很小的群速度色散，注入功率足够大时，光纤内导光介质的材料折射率随光功率变化，从而在光纤内部发生包括四波混频在内的次级效应。
[0017] 上述方案中，所述集成微腔激光器的腔体形状包括圆盘、圆环、三
角形、正方形或多边形；该集成微腔激光器的尺寸在1到50微米之间；该集成微腔激光器的激射模式是单模、双模或多模；主激光器和从激光器的激射波长均能够通过其注入电流的大小而调节，主激光器为从激光器提高可调谐的注入信号；主激光器和从激光器的集成方法采用同种材料的
波导直接耦合或侧向耦合。
[0018] 上述方案中，所述集成微腔激光器中主激光器1和从激光器2分别是一个圆盘微腔激光器，这两个圆盘微腔激光器通过波导直接耦合，这两个圆盘微腔激光器和波导均包含上限制层201、有源层202和下限制层203，每个圆盘微腔激光器的下限制层均形成在衬底上，其中：作为主激光器1和从激光器2的这两个圆盘微腔激光器的有源区是
量子阱、量子线、
量子点或量子级联结构；主激光器1和从激光器2的尺寸为激射波长的几倍到上千倍，其材料是各种IV族半导体材料和其化合物，以及III-V、II-VI、IV-V族化合物材料，或者是
有机半导体材料。
[0019] 上述方案中，所述主激光器通过波导向从激光器实现光注入，从激光器的输出光通过单模光纤的耦合输出。
[0020] 上述方案中，在所述可调谐滤波器3之前还设置一个
光放大器，该光放大器对从激光器2输出光的功率进行预放，再经过光纤耦合进可调谐滤波器3和光纤放大器4，然后经过非线性光纤展宽获得频梳。所述光放大器单独设置，或者与主激光器1及从激光器2集成于同一个功能模块上。
[0021] 上述方案中，所述光纤放大器4对可调谐滤波器3滤波后的光信号进行功率放大，得到宽谱的光频梳。
[0022] 上述方案中，所述高非线性光纤6具备高的非线性系数和低的群速度色散，主从激光器输出的光信号能在光纤中发生级联的四波混频效应，从而产生低噪声的超连续谱。该可调谐光频梳产生系统还在高非线性光纤6后再设置多个光放大器和高非线性光纤，以实现多次非线性放大展宽。
[0023] 上述方案中，该可调谐光频梳产生系统还包括监测设备来接收和监测产生频梳的特性，该监测设备包括光分束器7、光谱仪8、光电探测器9和
频谱仪10，其中：所述高非线性光纤6输出的光被光分束器7分成两路，其中一路光信号被输出至光谱仪8以供用户观测，另外一路光信号被光电探测器9收集到频谱仪10来观测微波谱，进而确定频率的间隔及其稳定度。
[0024] 上述方案中，该可调谐光频梳产生系统的具体工作过程及测量过程如下：
[0025] 步骤一、由主激光器1、从激光器2产生单模或双模输出；
[0026] 步骤二、从激光器为双模微腔激光器时，固定从激光器2的注入电流大小，改变主激光器1的注入电流大小使注入光波长靠近从激光器的激射波长，不断调节主激光器的电流使注入光与从激光器一个模式的频率间隔能够被从激光器的模式间隔整数可约；
[0027] 步骤三、微腔激光器的输出作为产生频梳的种子源，经过可调谐滤波器3滤掉步骤二中不满足条件的波长，再经过光纤放大器4放大到足够的功率再经过光隔离器5和高非线性光纤6产生频梳；
[0028] 步骤四、高非线性光纤6输出的光经过分束器7把光信号分成两路，其中一路用于光信号的输出，到光谱仪8观测，另一路用于光电探测器收集9到频谱仪10观测微波谱，确定频率间隔及其稳定度。
[0029] (三)有益效果
[0030] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0031] 1、本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，将片上集成的半导体微腔激光器与高非线性光纤相结合，实现了小型化，低功耗，可调谐的光频梳产生系统。通过调节集成器件中主激光器的注入电流来改变频梳的频率间隔，最终实现频率间隔从几GHz到几百GHz范围的连续可调谐。
[0032] 2、本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，属于利用非线性光学中的四波混频效应产生频梳的新型系统，其中作为种子源的半导体微腔激光器具有体积小、Q值高、功耗低等优点。
[0033] 3、本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，主激光器与从激光器集成的设计则使得该系统无需额外提供大功率注入光，与现有的基于光注入无源回音壁谐振腔的频梳系统相比具有结构简单，注入稳定等优点。
[0034] 4、本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，产生的光频梳间隔较大，可以从几GHz到几百GHz，从而弥补了传统锁模激光器光频梳间隔小的
缺陷，极大的拓宽了光频梳的应用范围。
[0035] 5、本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，产生的光频梳间隔可以通过注入电流大小或外界光注入
位置来连续调节，产生频梳的可调谐性操作方法简单。
[0036] 6、本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统，利用高非线性光纤的扩谱效应产生模式间隔均匀的光频梳，通过改变注入波长的相对位置及主激光器的电流大小，实现频梳间隔的连续可调谐，频梳间隔
覆盖了特高频厘米波(3-30GHz)和极高频毫米波(30-300GHz)波段。
附图说明
[0037] 图1为本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统的示意图；
[0038] 图2为本发明采用的集成微腔激光器的立体示意图；
[0039] 图3A和图3B为四波混频发生过程的示意图，其中图3A为简并四波混频发生过程的示意图，图3B为非简并四波混频发生过程的示意图；
[0040] 图4A和图4B为采用外界光注入产生可调的谐频梳的示意图，图4A为光注入到微腔激光器后的模式图，虚线1和实线2分别对应外界光和半导体微腔激光器的激射光；图4B为经过高非线性光纤后产生频梳的模式图；
[0041] 图5A和图5B为单片集成微腔激光器中产生可调的谐频梳示意图，图5A为主激光器注入到从激光器后的模式图，虚线1和实线2分别对应主激光器和从激光器的激射模式；图5B为经过放大器、滤波器及高非线性光纤处理后产生的频梳模式图；
[0042] 图6A和图6B为实验得到的结果，图6A为主激光器注入到从激光器后的模式图，方形标记和圆形标记分别对应主激光器和从激光器的激射模式，图6B为经过放大器、滤波器及高非线性光纤等处理后产生频梳的光谱图；
[0043] 图中，主激光器1、从激光器2、可调谐滤波器3、光纤放大器4、光隔离器5、高非线性光纤6、光分束器7、光谱仪8、光电探测器9、频谱仪10；虚线箭头所示为光信号，实线箭头所示为
电信号。
具体实施方式
[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体
实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0045] 图1为本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统的示意图，该可调谐光频梳产生系统包括主激光器1、从激光器2、可调谐滤波器3、光纤放大器4、光隔离器5和高非线性光纤6，其中：主激光器1与从激光器2集成于同一个功能模块上，主激光器1用于为从激光器2提供可调谐的注入光信号；可调谐滤波器3，用于对自主激光器1及从激光器2输入的光信号进行可调谐过滤，并输出至光纤放大器4；光纤放大器4，用于放大光信号，达到高非线性光纤6工作需要的功率，并输出至光隔离器5；光隔离器5，用于保证光纤放大器4输出的光的单向输出至高非线性光纤6；高非线性光纤6，用于提供非线性介质，扩展级联四波混频,获得等频率间隔的，功率均匀分布的光频梳。
[0046] 此外，该可调谐光频梳产生系统还可以采用一些其他光学设备来接收和监测产生频梳的特性，例如光分束器7、光谱仪8、光电探测器9和频谱仪10，如图1中虚线框所示。高非线性光纤6输出的光被光分束器7分成两路，其中一路光信号被输出至光谱仪8以供用户观测，另外一路光信号被光电探测器9收集到频谱仪10来观测微波谱，进而确定频率的间隔及其稳定度。
[0047] 图1中，主激光器1和从激光器2构成集成微腔激光器，主激光器1和从激光器2均为电注入回音壁模式的半导体微腔激光器。在集成微腔激光器中，固定从激光器2电流大小，调节主激光器1电流的大小，使主激光器1的谐振波长靠近从激光器2的谐振波长，当二者波长差很小时，在集成微腔激光器的腔内发生四波混频效应，从激光器2输出的模式可以作为频梳产生的种子源，频梳间隔的调节也是在这一关键步骤实现。
[0048] 集成微腔激光器的输出经过可调谐滤波器3滤掉不需要的模式，然后经过高功率的光纤放大器4放大到足够的功率再经过光隔离器5和高非线性光纤6产生频梳，其中高非线性光纤6具有较高的非线性系数和很小的群速度色散，注入功率足够大时，光纤内导光介质的材料折射率随光功率变化，从而在光纤内部发生包括四波混频在内的次级效应；紧接着高非线性光纤6输出的光被光分束器7分成两路，其中一路光信号被输出至光谱仪8以供用户观测，另外一路光信号被光电探测器9收集到频谱仪10来观测微波谱，进而确定频率的间隔及其稳定度。
[0049] 主激光器1和从激光器2构成的集成微腔激光器，采用的材料为满足光通信波长的任何半导体材料。该集成微腔激光器的形状包括圆盘、圆环、三角形、正方形、多边形所有基于上述材料且可以激射的腔体。该集成微腔激光器的尺寸在1到50微米之间。该集成微腔激光器的激射模式可以是单模，也可以是双模或多模。主激光器和从激光器的激射波长均可以通过其注入电流的大小而调节，主激光器为从激光器提高可调谐的注入信号；主激光器和从激光器的集成方法可以但不仅限于同种材料的波导直接耦合或侧向耦合。
[0050] 图2所示为本发明采用的集成微腔激光器的立体示意图，其包括图1中的主激光器和从激光器，使用位置对应于图1中主激光器1和从激光器2所示。在图2中，该集成微腔激光器是两个圆盘微腔激光器通过波导直接耦合，包括主激光器21、从激光器22以及波导23，均包含上限制层201、有源层202和下限制层203，各层的厚度没有限制，在实际工艺中可根据需要调节，该集成微腔激光器的微腔尺寸是指激光器有源区的边长或半径。构成主激光器21和从激光器22的每一个微盘的下限制层都长在衬底1上。其中，主激光器21和从激光器22的有源区可以是量子阱、量子线、量子点、量子级联各种结构。主激光器21和从激光器22的尺寸为激射波长的几倍到上千倍，其材料可以是公知的各种IV族半导体材料和其化合物以及III-V、II-VI、IV-V工族化合物等半导体材料，也可以是有机半导体材料。
[0051] 图2中，主激光器21通过波导23向从激光器22实现光注入，如有源层中曲线箭头所示，从激光器22的输出光通过单模光纤24的耦合输出连接到放大器。此外，集成的器件包含但不限于微腔激光器，将预置的光放大器与激光器集成在同一个功能模块上实现对激光器输出光功率的放大，再经过滤波器和非线性光纤展宽获得频梳，这种集成方案能使频梳的产生源体积更小，系统得到进一步简化。
[0052] 在这一过程中，使用的微腔激光器可以采用任意一种可以激射的微腔形状，通过电注入的方式工作；每个激光器可以是单模激射也可以是双模甚至多模激射；主激光器21和从激光器22的集成方法可以但不仅限于同种材料的波导直接耦合或侧向耦合；从激光器的输出可以是腔体消逝光直接耦合进光纤，也可以通过激光器加输出波导耦合进光纤。通过固定从激光器22的工作电流，改变主激光器21的注入电流使21波长发生移动并与22的谐振波长逐渐靠近，当两个频率靠的非常近时，腔内的非线性效应使得两者之间发生四波混频，在其附近可以看到产生了几个新的频率间隔相等的模式，这些输出模式就可以作为产生频梳的种子源。在实际应用中，微腔激光器输出的模式可能较多，可选择用可调谐滤波器过滤掉不需要的模式或噪声。
[0053] 图3A和图3B所示为四波混频的产生过程图，
泵浦光经过非线性晶体时，发生三阶非线性效应即四波混频，产生新的频率的信号光和闲置光。图3A所示当四束光中有两束光波长相同时为简并四波混频，图3B所示当四束光波长均不相同时为非简并四波混频。这两个过程在微腔激光器内和高非线性光纤中均有发生，微腔激光器的激射模式以及外界的光注入作为泵浦光，最初产生的信号光和闲置光的模式可以继续相互作用，在达到一定功率后可以在高非线性光纤中产生级联的四波混频。
[0054] 图4A和图4B所示为外界光注入到半导体微腔激光器产生可调谐频梳的示意图，图4A为光注入到微腔激光器后的模式图，实线2为微腔激光器的激射模式，虚线1为注入光，其它虚线为注入光非常接近腔内模式后腔内所产生的四波混频边带，图4B为经过整个系统即放大器、滤波器、高非线性光纤后产生频梳的模式图；通过调节可调谐激光器，可以改变外界注入光的波长，即图4A中实线2旁边的虚线1位置，从而使泵浦光的波长发生移动，产生的频梳间隔即可以对应可调。
[0055] 图5A和图5B为电注入产生可调谐频梳示意图，图5A为单模的主激光器注入到单模的从激光器后的模式图，其中虚线1为主激光器的模式，实线2为从激光器的模式，图5B经过整个系统即放大滤波再经过高非线性光纤后产生的频梳图；频梳的间隔取决于1、2模式的间隔，改变主激光器注入电流的大小即主激光器的谐振波长(图5A中虚线1位置)，从而使泵浦光的波长发生移动，产生的频梳间隔即可以对应可调。
[0056] 图6A和图6B为集成半导体微腔激光器产生可调谐频梳的一个实例，该集成半导体微腔激光器是由两个半径为10μm的微盘激光器通过一个长为30μm，宽为1.5μm的同种材料的波导直接相连，采用的两个激光器均为双模激光器。其中图6A为主激光器注入到从激光器后的模式图，圆形标记指示的线为从激光器固定在28mA时的激射模式，方形标记指示的线为主激光器工作在26.2mA时的模式，图6B为经过整个系统即后产生频梳的模式图。改变主激光器的注入电流大小即主激光器的谐振波长，使其谐振波长与从激光器其中一个模式的频率差Δf1被从激光器的模式间隔Δf2整数可约，主激光器电流大小的改变可以使泵浦光的波长发生移动，从而实现频梳间隔的连续调谐。如图6A，阴影覆盖的光被滤波器滤掉，即只保留三个强度相近的光经放大后进入非线性光纤，从激光器激射模式的波长间隔为Δλ2＝1.808nm，频率间隔Δf2＝224.4GHz，从激光器和主激光器的模式间隔为Δλ1＝0.612nm，频率间隔Δf1≈Δf2/3；如图6B，频梳的模式间隔νFSR为74GHz≈Δf1。
[0057] 图1中，光纤放大器4对滤波后的光信号进行功率放大，以达到高非线性光纤需要的较高功率，得到宽谱的光频梳；此外在滤波器3之前还可以加上一个较低功率的单个光放大器器件，该放大器也可以与激光器一起集成在同一个功能模块上，将从激光器输出光的功率进行预放，再经过光纤耦合进滤波器和高功率的放大器然后经过非线性光纤展宽获得频梳，这种集成方案能使频梳的产生源体积更小，系统得到进一步简化；也可以在高非线性光纤后再加多个光放大器和高非线性光纤实现多次非线性展宽。经过光纤放大器4后的光有较大功率，为避免后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响，可选择用光隔离器5来保证系统中单向光的通过；光隔离器5的数目不限于一个，根据系统中高非线性光纤和放大器数目来确定。
[0058] 图1中，高非线性光纤6具备高的非线性系数和低的群速度色散，激光器输出的光信号能在光纤中发生级联的四波混频效应，从而产生低噪声的超连续谱；高非线性光纤6的个数包含但不限于一个，可以在第一个高非线性光纤后加多个高非线性光纤和放大器来实现多次非线性放大展宽。
[0059] 图1中，光分束器7的作用是将
输入信号分为两路输出，其中一路传输进入光谱仪8，另一路
信号传输进入高速光电探测器9和频谱仪10；光谱仪10的工作带宽应覆盖产生频梳的谱宽；高速光电探测器9和频谱仪10的探测带宽应覆盖产生射频电信号的频率；频梳的频率间隔及其稳定度可以通过频谱仪10来确定。
[0060] 本系统实施方案的一个特例是用可调谐激光器取代主激光器，采用外界光注入到从激光器的方式产生频梳。所述的外界光注入半导体微腔激光器的方案中，需要将半导体微腔激光器与可调谐激光器通过环形器连接，半导体微腔激光器连接光环形器的第二端口，用于外部注入的可调谐激光器连接光环形器的第一端口，光环形器的第三端口经过光放大器、滤波器、光隔离器、高非线性光纤后，将产生的频梳连接到监测系统中分束器的输入端，分束器的输出端分为两路，一路作为光信号输出，另一路经过探测器收集作为电信号输出。
[0061] 本发明提供的基于单片集成微腔激光器的可调谐光频梳产生系统的具体工作过程及测量过程如下：
[0062] 步骤一、由主激光器1、从激光器2产生单模或双模输出；
[0063] 步骤二、从激光器为双模微腔激光器时，固定从激光器2的注入电流大小，改变主激光器1的注入电流大小使注入光波长靠近从激光器的激射波长，不断调节主激光器的电流使注入光与从激光器一个模式的频率间隔能够被从激光器的模式间隔整数可约；
[0064] 步骤三、微腔激光器的输出作为产生频梳的种子源，经过可调谐滤波器3滤掉步骤二中不满足条件的波长，再经过光纤放大器4放大到足够的功率再经过光隔离器5和高非线性光纤6产生频梳；
[0065] 步骤四、高非线性光纤6输出的光经过分束器7把光信号分成两路，其中一路用于光信号的输出，到光谱仪8观测，另一路用于光电探测器收集9到频谱仪10观测微波谱，确定频率间隔及其稳定度。
[0066] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
