劉 浩 ,高小強(qiáng) ,段 碩 ,吳 宸

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100076;2.北京航天自動(dòng)控制研究所,北京 100039)

1 引言

光學(xué)頻率梳是由一系列頻率穩(wěn)定并且其間隔相等的梳齒組成的寬帶光譜。德國(guó)馬普所(Max Planck Institute)的T.Hansch 和美國(guó)NIST(National Institute of Standards and Technology)的J.Hall 就因其在光頻梳精密測(cè)量領(lǐng)域的貢獻(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1,2]。早期的光頻梳一般是由鎖模激光器產(chǎn)生的,不僅體積大功耗大,對(duì)環(huán)境的要求也比較高,需要頻繁維護(hù),并且存在光譜窄、重頻低等局限性。近年來(lái),微納加工技術(shù)和集成光學(xué)快速發(fā)展,極大地促進(jìn)了光頻梳的小型化進(jìn)程[3-14]?；谖⑶环蔷€性光學(xué)產(chǎn)生的克爾光頻梳,與傳統(tǒng)光梳相比,具有較高的重頻、光譜寬的特點(diǎn),它的梳模間隔從GHz 到THz 量級(jí),可利用色散效應(yīng)產(chǎn)生多個(gè)倍頻程孤子光梳;另外,微環(huán)諧振腔的品質(zhì)因子非常高,目前最高Q值已到達(dá)109,可使得閾值功率大幅下降;并且由于它的有效模式體積很小,相比于傳統(tǒng)光頻梳可兼顧小體積與低功耗,具備小型化的優(yōu)勢(shì),使片上集成光源成為可能。

2 孤子光梳生成機(jī)制

在微環(huán)諧振腔中,由于材料結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,不考慮二階非線性作用,主要考慮三階。三階非線性引起的介質(zhì)折射率變化,也就是與電場(chǎng)平方成正比的克爾非線性效應(yīng),主要有自相位交叉相位調(diào)制、四波混頻、三次諧波等。四波混頻是光頻梳的主要物理機(jī)理,用于擴(kuò)展梳齒。

當(dāng)湮滅的兩個(gè)光子頻率相同時(shí),稱為簡(jiǎn)并四波混頻。反之,兩個(gè)不同頻率的光子發(fā)生作用,為非簡(jiǎn)并過(guò)程。當(dāng)具有一定功率的泵浦光進(jìn)入微環(huán)諧振腔時(shí),產(chǎn)生級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程,即簡(jiǎn)并、非簡(jiǎn)并的四波混頻同時(shí)作用,使越來(lái)越多的新頻率成分出現(xiàn),最終促進(jìn)光頻譜的擴(kuò)展,形成穩(wěn)定的孤子光學(xué)頻率梳,如圖1 所示。

圖1 光學(xué)微環(huán)諧振腔產(chǎn)生光學(xué)頻率梳原理[16]Fig.1 Principle of optical frequency comb generation using optical micro-resonators

3 孤子光梳產(chǎn)生方案與測(cè)試

3.1 產(chǎn)生方案

試驗(yàn)中采用自由光譜范圍(FSR)為49 GHz 的微環(huán)諧振腔(實(shí)物圖如圖2 所示,蝶形封裝后如圖3所示)產(chǎn)生低噪態(tài)光學(xué)頻率梳源(即光孤子源),利用輔助光實(shí)現(xiàn)微腔內(nèi)的熱平衡,其中泵浦激光采用NKT 激光器,其波長(zhǎng)保持在1 560.2 nm,線寬約為1 kHz。為消除光孤子產(chǎn)生過(guò)程中出現(xiàn)的熱不穩(wěn)定性,引入了輔助激光來(lái)消除微環(huán)諧振腔中的熱效應(yīng)。產(chǎn)生光孤子頻梳的試驗(yàn)示意圖如圖4 所示。

圖2 微腔實(shí)物圖Fig.2 Picture of micro-ring resonator

圖3 蝶形封裝好的微腔Fig.3 Butterfly encapsulated micro-ring resonator

圖4 孤子光頻梳產(chǎn)生試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of soliton optical frequency comb generation test

試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)微環(huán)諧振腔外接的溫度控制器(TEC)改變微環(huán)諧振腔的群折射率,從而達(dá)到調(diào)諧諧振峰的目的。光譜儀、示波器和頻譜儀分別用來(lái)監(jiān)控光譜,腔內(nèi)能量以及頻譜特征,通過(guò)這些特征來(lái)判斷光孤子的產(chǎn)生。試驗(yàn)中泵浦激光和輔助激光的放大功率分別為1.0 W 和0.9 W,片上功率分別為0.4 W 和0.35 W。采用同時(shí)調(diào)諧TEC 和放大器功率的方法,可以產(chǎn)生高穩(wěn)定的單孤子源。

3.2 測(cè)試結(jié)果

3.2.1 Q 值測(cè)試與重頻測(cè)試

光學(xué)微環(huán)諧振腔的測(cè)試采用激光器波長(zhǎng)掃描法測(cè)量微環(huán)諧振腔的透射光譜方法得到其品質(zhì)因子,如圖5 所示,從透射譜曲線可得第一個(gè)微環(huán)諧振腔FSR為48.925 9 GHz,Q值為1.43 ×106;第二個(gè)微環(huán)諧振腔的FSR為48.911 21 GHz,Q值為1.53 ×106。兩個(gè)微環(huán)諧振腔均滿足參量微腔光頻梳的要求,重頻差為14.69 MHz,可用于吸收光譜的精密掃描,如圖6 所示。

圖5 微環(huán)諧振腔Q 值測(cè)試結(jié)果Fig.5 Q value test results of micro-ring resonator

圖6 雙孤子光梳的重頻差測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of double soliton optical combs of difference in repetition frequency

3.2.2 孤子光梳演化的試驗(yàn)觀測(cè)過(guò)程

孤子光頻梳產(chǎn)生過(guò)程是從四波混頻開始的,初始狀態(tài)如圖7(a)所示,首先是簡(jiǎn)并四波混頻,兩個(gè)足夠強(qiáng)的泵浦光子湮滅,產(chǎn)生一個(gè)能量和頻率更高的光子,產(chǎn)生一個(gè)能量和頻率更低的另一個(gè)光子,形成主梳狀態(tài),如圖7(b)所示。在四波混頻的過(guò)程中,當(dāng)產(chǎn)生的信號(hào)和空閑波足夠強(qiáng)時(shí),通過(guò)所謂的非簡(jiǎn)并四波混頻和與泵浦的相互作用,便可以產(chǎn)生新的頻率和邊帶,即產(chǎn)生次級(jí)光梳,如圖7(c)所示,級(jí)聯(lián)混頻過(guò)程能產(chǎn)生其他頻率形成頻率,形成多孤態(tài),隨著腔內(nèi)增益和損耗的平衡,多孤子態(tài)可演變成雙孤子態(tài)或者完美孤子晶體態(tài),最終形成單孤子態(tài)。通過(guò)光譜儀實(shí)時(shí)觀測(cè)可以記錄孤子光梳的總體演化過(guò)程。

圖7 孤子光頻梳的試驗(yàn)觀測(cè)過(guò)程Fig.7 Test observation process of soliton optical frequency comb

4 基于微腔孤子雙光梳的光譜測(cè)量

采用兩個(gè)自由光譜范圍約為49 GHz 的微環(huán)諧振腔作為雙低噪態(tài)光學(xué)頻率梳源(即雙光孤子源),其中泵浦激光為一臺(tái)線寬為100 Hz 的光纖激光器(NKT Koheras BASIK),其波長(zhǎng)為1 560.2 nm。微環(huán)諧振腔內(nèi)的熱環(huán)境不穩(wěn)定的,難以維持穩(wěn)定的單孤子,通過(guò)輔助激光熱平衡方案,并配合溫度和泵浦功率的調(diào)諧,可以實(shí)現(xiàn)微腔孤子光頻梳的穩(wěn)定產(chǎn)生。雙光孤子頻梳測(cè)量系統(tǒng)如圖8 所示。

得到雙孤子源之后,分別將兩個(gè)微環(huán)諧振腔的輸出端各接一個(gè)1/9 分束器,1 端口的輸出功率約為3 mW,9 端口的輸出功率約為27 mW。將兩個(gè)1端口各接入一臺(tái)光譜儀檢測(cè)孤子態(tài),將兩個(gè)9 端口通過(guò)5/5 耦合器耦合后接入可調(diào)諧帶通濾波器(TBF)。接入TBF 的目的有兩個(gè):其一,濾除功率較高泵浦光和輔助光,以此來(lái)提高信噪比;其二,濾掉泵浦光(中心頻率為1 560.2 nm)右邊的光譜,避免雙光譜拍頻后造成的干擾。從TBF 出來(lái)的信號(hào)又通過(guò)另一個(gè)5/5 分束器分成兩路,一路經(jīng)過(guò)氣體吸收池(C2H2,400 Torr)后經(jīng)探測(cè)器接入頻譜儀和示波器,另一路不經(jīng)過(guò)氣體吸收池后經(jīng)探測(cè)器接入頻譜儀和示波器。若從TBF 出來(lái)的信號(hào)比較弱,亦可經(jīng)過(guò)放大器(EDFA)放大后再經(jīng)探測(cè)器接入頻譜儀和示波器。經(jīng)過(guò)處理得到的C2H2吸收光譜如圖9 所示,實(shí)現(xiàn)了精細(xì)光譜的掃描。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用微環(huán)諧振腔開展了片上孤子光學(xué)頻率梳集成與測(cè)試研究,實(shí)現(xiàn)了孤子光學(xué)頻率梳的集成封裝,觀測(cè)到孤子光梳了演化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了寬帶孤子光頻梳波長(zhǎng)范圍大于100 nm,重復(fù)頻率大于49 GHz,雙梳重頻差14.69 MHz,可實(shí)現(xiàn)C2H2超精細(xì)光譜的獲取。

隨著集成光梳的出現(xiàn),精密測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)逐漸小型化,未來(lái)有望形成產(chǎn)品,滿足市場(chǎng)對(duì)微型光譜儀、精密測(cè)距儀等精密測(cè)量?jī)x器的迫切需求。受益于低功耗、小型化、高重頻及易集成等優(yōu)點(diǎn),耗散克爾孤子(Dissipative Kerr Soliton,DKS)光梳展現(xiàn)了巨大潛能,是下一代片上集成光源的優(yōu)選方向,有望為時(shí)頻、測(cè)距、成像、精密光譜等領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性發(fā)展。