片上孤子光學頻率梳集成與測試研究

劉 浩 ,高小強 ,段 碩 ,吳 宸

(1.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076;2.北京航天自動控制研究所,北京 100039)

1 引言

光學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。德國馬普所(Max Planck Institute)的T.Hansch 和美國NIST(National Institute of Standards and Technology)的J.Hall 就因其在光頻梳精密測量領域的貢獻共同獲得了諾貝爾物理學獎[1,2]。早期的光頻梳一般是由鎖模激光器產生的,不僅體積大功耗大,對環(huán)境的要求也比較高,需要頻繁維護,并且存在光譜窄、重頻低等局限性。近年來,微納加工技術和集成光學快速發(fā)展,極大地促進了光頻梳的小型化進程[3-14]?；谖⑶环蔷€性光學產生的克爾光頻梳,與傳統(tǒng)光梳相比,具有較高的重頻、光譜寬的特點,它的梳模間隔從GHz 到THz 量級,可利用色散效應產生多個倍頻程孤子光梳;另外,微環(huán)諧振腔的品質因子非常高,目前最高Q值已到達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,使片上集成光源成為可能。

2 孤子光梳生成機制

在微環(huán)諧振腔中,由于材料結構的對稱性,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折射率變化,也就是與電場平方成正比的克爾非線性效應,主要有自相位交叉相位調制、四波混頻、三次諧波等。四波混頻是光頻梳的主要物理機理,用于擴展梳齒。

當湮滅的兩個光子頻率相同時,稱為簡并四波混頻。反之,兩個不同頻率的光子發(fā)生作用,為非簡并過程。當具有一定功率的泵浦光進入微環(huán)諧振腔時,產生級聯(lián)四波混頻過程,即簡并、非簡并的四波混頻同時作用,使越來越多的新頻率成分出現(xiàn),最終促進光頻譜的擴展,形成穩(wěn)定的孤子光學頻率梳,如圖1 所示。

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

3 孤子光梳產生方案與測試

3.1 產生方案

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

圖2 微腔實物圖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 孤子光頻梳產生試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of soliton optical frequency comb generation test

試驗中通過調節(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,從而達到調諧諧振峰的目的。光譜儀、示波器和頻譜儀分別用來監(jiān)控光譜,腔內能量以及頻譜特征,通過這些特征來判斷光孤子的產生。試驗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。采用同時調諧TEC 和放大器功率的方法,可以產生高穩(wěn)定的單孤子源。

3.2 測試結果

3.2.1 Q 值測試與重頻測試

光學微環(huán)諧振腔的測試采用激光器波長掃描法測量微環(huán)諧振腔的透射光譜方法得到其品質因子,如圖5 所示,從透射譜曲線可得第一個微環(huán)諧振腔FSR為48.925 9 GHz,Q值為1.43 ×106;第二個微環(huán)諧振腔的FSR為48.911 21 GHz,Q值為1.53 ×106。兩個微環(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 值測試結果Fig.5 Q value test results of micro-ring resonator

圖6 雙孤子光梳的重頻差測試結果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觀測過程

孤子光頻梳產生過程是從四波混頻開始的,初始狀態(tài)如圖7(a)所示,首先是簡并四波混頻,兩個足夠強的泵浦光子湮滅,產生一個能量和頻率更高的光子,產生一個能量和頻率更低的另一個光子,形成主梳狀態(tài),如圖7(b)所示。在四波混頻的過程中,當產生的信號和空閑波足夠強時,通過所謂的非簡并四波混頻和與泵浦的相互作用,便可以產生新的頻率和邊帶,即產生次級光梳,如圖7(c)所示,級聯(lián)混頻過程能產生其他頻率形成頻率,形成多孤態(tài),隨著腔內增益和損耗的平衡,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)。通過光譜儀實時觀測可以記錄孤子光梳的總體演化過程。

圖7 孤子光頻梳的試驗觀測過程Fig.7 Test observation process of soliton optical frequency comb

4 基于微腔孤子雙光梳的光譜測量

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

得到雙孤子源之后,分別將兩個微環(huán)諧振腔的輸出端各接一個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1端口各接入一臺光譜儀檢測孤子態(tài),將兩個9 端口通過5/5 耦合器耦合后接入可調諧帶通濾波器(TBF)。接入TBF 的目的有兩個:其一,濾除功率較高泵浦光和輔助光,以此來提高信噪比;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 出來的信號又通過另一個5/5 分束器分成兩路,一路經過氣體吸收池(C2H2,400 Torr)后經探測器接入頻譜儀和示波器,另一路不經過氣體吸收池后經探測器接入頻譜儀和示波器。若從TBF 出來的信號比較弱,亦可經過放大器(EDFA)放大后再經探測器接入頻譜儀和示波器。經過處理得到的C2H2吸收光譜如圖9 所示,實現(xiàn)了精細光譜的掃描。

5 結束語

利用微環(huán)諧振腔開展了片上孤子光學頻率梳集成與測試研究,實現(xiàn)了孤子光學頻率梳的集成封裝,觀測到孤子光梳了演化過程,實現(xiàn)了寬帶孤子光頻梳波長范圍大于100 nm,重復頻率大于49 GHz,雙梳重頻差14.69 MHz,可實現(xiàn)C2H2超精細光譜的獲取。

隨著集成光梳的出現(xiàn),精密測量系統(tǒng)已經逐漸小型化,未來有望形成產品,滿足市場對微型光譜儀、精密測距儀等精密測量儀器的迫切需求。受益于低功耗、小型化、高重頻及易集成等優(yōu)點,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,有望為時頻、測距、成像、精密光譜等領域帶來顛覆性發(fā)展。