技术摘要：
一种基于正常色散FP微腔的平坦光频梳产生装置及操作方法，该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、辅助测试输出光纤、第四连接光纤、正常色散FP微谐振腔、输出光纤、第一C型陶瓷管和第二C型陶瓷管。本  全部
背景技术：
光学频率梳(简称光频梳)是一种频谱由一系列离散、等间隔频率成分构成的光 源。功率平坦、相位相干、重复频率高以及光谱带宽大的光频梳在原子钟、微量气体探测、光 学任意波形产生、密集波分复用以及正交频分复用等系统中都有重要的应用需求。 传统的光频梳产生方案是基于激光器锁模技术。锁模激光器产生的超短光脉冲的 频谱梳线之间具有固定的相位关系，其频率间隔与锁模脉冲的重复频率相等。由于锁模脉 冲的重复频率受激光器腔长的限制，因此基于锁模激光器的光频梳的频率间隔通常小于 10GHz。通过射频信号驱动级联的光电调制器可以产生频率间隔可调谐、相位相干、功率平 坦的光频梳，但是受限于光电调制器的调制效率，这种方式产生的光频梳的带宽较窄。为了 拓展级联光电调制器产生光频梳的带宽，可以利用高非线性光纤对其进行光谱展宽，产生 相干的超连续光谱。虽然高非线性光纤具有大带宽的优势，但是产生的超连续谱的平坦度 较差。此外，为了提高超连续谱的转化效率，通常需要数十到数百米的高非线性光纤进行光 谱展宽，增大了系统的体积。而在高Q值的微谐振腔中利用克尔非线性效应产生的光频梳具 有高重频、大带宽、低功耗以及工艺成熟的优势，符合未来光器件高集成度的发展趋势。由 于在可见光波段和中红外波段波导通常为正常色散，因此基于正常色散微腔的锁模光频梳 产生技术备受关注。但是在正常色散的微谐振腔中，腔内光场的双稳态上支路缺乏调制不 稳定性，并且克尔非线性效应无法与腔内的正常色散平衡，这使得在正常色散微腔中实现 克尔光频梳的锁模变得更加有挑战性。 已报道的基于正常色散微腔的锁模光频梳产生方法主要有以下几种： 方法1：暗孤子锁模光频梳。正常色散的微腔能够在光场的双稳态上支路支持暗孤 子的产生，暗孤子光频梳有较高的能量转化效率，但是光频梳的功率平坦度较差。在高速光 通信系统中需要对暗孤子锁模光频梳的频谱包络进行整形后才能应用。此外，使用传统的 超快光技术无法对暗孤子的时域波形进行直接测量。 方法2：平顶孤子锁模光频梳。平顶孤子的时域波形的顶部平坦，并产生在正常色 散微腔的双稳态上支路。平顶孤子可以视为高阶的暗孤子，同样有较高的光频梳转化效率， 但是光梳的功率平坦度较差。 方法3：超窄脉冲锁模光频梳。正常色散的微腔可以利用波长相关的Q值在腔内中 引入通带滤波特性，从而在光场双稳态的下支路产生超窄的锁模光脉冲。这种在正常色散 微腔中产生的超窄锁模脉冲性能与亮孤子近似，时域脉冲波形的峰值功率高，脉宽窄，且频 谱包络光滑。但是波长相关的Q值在微腔的制备过程中无法控制，这使得在实际应用中受到 很大的限制。 因此，针对上述难以在微腔中引入可控的滤波特性以及产生的锁模光频梳功率不 4 CN 111580321 A 说　明　书 2/6 页 平坦的问题，需要一种基于正常色散微谐振腔的光谱包络平坦、相干性好，且易于控制的锁 模光频梳产生系统。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供了一种基于正常色 散FP微腔的平坦锁模光频梳产生装置及操作方法。该装置采用成熟的镀膜工艺对FP微腔反 射膜的幅频响应特性进行设计，在微腔内引入工作波长、带宽以及阻带抑制比可控的通带 滤波特性，解决了在正常色散微腔中进行超窄脉冲锁模的难题。该装置的加工工艺成熟，操 作方便，产生的锁模光频梳具有相干性好、频谱包络平坦度的特点。 为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下： 一种基于正常色散FP微腔的平坦光频梳产生装置，其特点在于包括：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、辅助 测试输出光纤、第四连接光纤、正常色散FP微谐振腔、输出光纤、第一C型陶瓷管和第二C型 陶瓷管； 所述的环形器包含输入端口、双向端口和输出端口； 所述的正常色散FP微谐振腔包括陶瓷插芯套管、正常色散的高非线性单模光纤、 第一反射膜和第二反射膜，所述的陶瓷插芯套管是一段两端有通孔的圆柱形陶瓷器件，通 孔位置与所述的陶瓷插芯套管的中心线重合，所述的正常色散的高非线性单模光纤嵌在所 述的陶瓷插芯套管内，并通过环氧树脂胶使所述的高非线性单模光纤与所述的陶瓷插芯套 管固定，对嵌入光纤后的陶瓷插芯套管的两个端面进行抛光，然后将所述的第一高反射膜、 第二高反射膜分别沉积在所述的陶瓷插芯套管的两个端面上； 所述的第四连接光纤和输出光纤在与FP微谐振腔相连的一侧的光纤接头具有与 所述的FP微谐振腔外部的陶瓷插芯套管相同的直径，并通过两个中空的第一C型陶瓷管和 第二C型陶瓷管固定，且第四连接光纤、FP微谐振腔中的高非线性单模光纤和输出光纤的光 纤中心对准； 沿所述的可调脉冲光激光器的激光输出方向依次是所述的第一连接光纤、光放大 器、第二连接光纤、偏振控制器、第三连接光纤，环形器的输入端口、环形器的双向端口、第 四连接光纤、正常色散FP微谐振腔、输出光纤，同时所述的FP微谐振腔的反射光信号会从第 四连接光纤输出，经过所述的环形器的双向端口、环形器的输出端口，从所述的辅助测试输 出光纤输出。 所述的可调脉冲光激光器的工作波段为C波段，脉冲光重复频率为2GHz～20GHz可 调，脉冲宽度小于3ps，为傅里叶变换极限光脉冲。 所述的第一反射膜、第二反射膜为高反射多层介质膜，反射谱的中心波长为 1560nm，工作波段的反射率大于99.8％，阻带抑制比大于20dB，反射谱的工作带宽通过对反 射膜幅频响应的设计进行调节。 所述的正常色散FP微谐振腔的腔长为1.03cm，对应的自由频谱范围为10GHz。 所述的可调脉冲光激光器、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、辅助测试输出光纤、第四连接光纤、正常色散FP微谐振腔、输出光 纤、都工作在单模横电(TE)模式，或都工作在单模横磁(TM)模式，器件的工作波长相互匹 5 CN 111580321 A 说　明　书 3/6 页 配。 上述基于正常色散FP微腔的平坦光频梳产生装置的操作方法，其特点在于该方法 包括以下步骤： 1)测试所述的FP微谐振腔的自由频谱范围(FSR)，并将所述的可调脉冲光激光器 的重复频率调节至FP微谐振腔的自由频谱范围； 2)调节所述的光放大器，为FP微谐振腔产生克尔光频梳提供足够强的泵浦光信 号，使所述的环形器确保从所述的FP微谐振腔的第一反射膜反射的泵浦光从环形器的输出 端口输出，使得反射光不能进入光放大器； 3)调节所述的偏振控制器，使输入所述的FP微谐振腔的泵浦光是线偏振； 4)选择所述的FP微谐振腔在1560nm附近的一个谐振峰的作为参考谐振峰，调节所 述的可调脉冲光激光器的光谱中心频率至该谐振峰的短波长处，然后进行“蓝失谐”到“红 失谐”的连续调谐，使所述的可调脉冲光激光器的输出频率从大于谐振频率的值调到小于 谐振频率的值，在克尔非线性效应和腔内滤波特性的共同作用下，腔内振荡的光脉冲能量 增加、光谱展宽，并逐渐稳定在光场双稳态的下支路，形成锁模的超窄光脉冲； 5)当超窄锁模光脉冲产生后，停止所述的可调脉冲光激光器的波长调谐并稳定该 波长点，得到功率平坦的锁模光频梳输出。 在传统的基于正常色散微腔中，产生超窄锁模脉冲需要利用腔内波长相关的Q值 来引入滤波特性，但是在微腔的制备过程中波长相关的Q值是无法控制的，因此产生的锁模 脉冲的中心频率、光谱带宽以及光频梳的功率平坦度都无法控制。本发明利用FP微谐振腔 的反射膜可进行波长设计的特点，在正常色散FP微腔内引入幅频响应可控的通带滤波特 性，从而在正常色散微腔中获得光谱包络可控的超窄锁模光脉冲。 与现有技术相比，本发明具有如下优点： 1.通过对FP微腔的反射膜进行波长设计，可以在微腔内引入幅频响应可控的带通 滤波特性，解决了正常色散FP微腔中引入滤波特性的难题。 2.本发明根据超窄锁模光脉冲的光谱宽度、中心波长以及光谱包络的功率平坦度 与腔内的滤波特性存在映射关系，通过对反射膜的波长设计来控制产生锁模光频梳的频谱 特性。 3.本发明装置采用同步的光脉冲进行泵浦以及高非线性单模光纤作为波导介质， 使得产生的锁模光频梳有较高的能量转化效率。 4.本发明FP微谐振腔的加工工艺成熟，可靠性高，且产生的超窄锁模光脉冲易于 探测。 附图说明 图1是本发明基于正常色散FP微腔的平坦光频梳产生装置的结构图。 图中：1-可调脉冲光激光器，2-第一连接光纤，3-光放大器，4-第二连接光纤，5-偏 振控制器，6-第三连接光纤，7-环形器，8-辅助测试输出光纤，9-第四连接光纤，10-正常色 散FP微谐振腔，11-输出光纤，12-第一C型陶瓷管和13-第二C型陶瓷管。 图2是本发明所用正常色散FP微谐振腔的结构图。 图中：9-第四连接光纤，101-陶瓷插芯套管，102-正常色散的高非线性单模光纤， 6 CN 111580321 A 说　明　书 4/6 页 103-第一反射膜，104-第二反射膜，11-输出光纤。 图3是可调脉冲光光源的频率从谐振峰蓝移35MHz(5倍谐振峰线宽)调制至谐振峰 红移140MHz(20倍谐振峰线宽)处的仿真结果，反射谱带宽分别设置为20nm、30nm、40nm以及 50nm。(a)不同反射谱带宽下产生的超窄锁模脉冲时域波形图,(b)不同反射谱带宽下产生 的超窄锁模脉冲光谱图。 图4是在图3同样的仿真条件下，正常色散FP微腔产生锁模光频梳的功率方差以及 平坦度随反射谱带宽的变化结果。 图5是在图3同样的仿真条件下反射谱带宽为42.56nm时，正常色散FP微腔产生锁 模光频梳的光谱图。