一种光频梳自动恢复装置及方法与流程

本发明公开的一种基于光学微腔的光频梳自动产生恢复装置及方法，属于硅基非线性光学光电调制。

背景技术：

1、近年来，微腔光频梳由于其高带宽、高重频的特性，可用于大规模相干光通信、高速测距等应用，从而引起广泛关注。基于微腔产生的光频梳从动力学演变的阶段分为图灵态、子梳、噪声态、多孤子态、孤子晶体和单孤子态等几种不同的状态，其中单孤子态具有低噪声、相位稳定的的特点，是应用中最重要的一种状态。但是由于微腔材料存在一定的损耗和色散，进入微腔的激光需满足一定的光功率，在克服掉波导损耗后还具有较强的光场强度引发三阶非线性极化，产生的非线性效应能够与波导材料本身的色散相平衡，当微腔中满足增益与损耗、色散与非线性效应的双重平衡时，即可实现单孤子态。并且，波导材料存在不同程度的热光效应，使得调试过程中高功率激光引起材料温度变化从而引起谐振波长的漂移，因此微腔光频梳的光学调试具有一定的难度。

2、为了减小热光效应对孤子调试过程的影响，目前采用的方法主要是利用两台激光器同时泵浦微腔，泵浦激光和辅助激光同时从蓝失谐进入微腔，扫描泵浦激光频率逐渐进入红失谐，在此过程中腔内功率增加使谐振波长发生红移，辅助激光仍处于蓝失谐，且失谐量增加，使得有辅助激光引起的腔内功率下降，又会导致谐振波长蓝移。继续扫描泵浦激光频率使其进入红失谐，进入孤子态后腔内功率下降，谐振波长蓝移使得辅助激光失谐量减小，腔内功率增加。这样在辅助激光的作用下，微腔内总功率可以维持在恒定的值，减少热光效应对孤子态的影响。虽然这种装置可以获得单孤子态光频梳，但是两台激光器的配置使装置变得庞大，而且操作过程比较繁琐，阻碍了微腔光频梳小型化发展，更阻碍了实验室外应用验证的进展。

3、鲁棒性、小型化的微腔光频梳系统对后续光频梳的应用具有重要意义。高品质因子微腔可以提供更高的光局域能力和高增益，一方面可以提供足够的腔内光场强度实现参量振荡；另一方面可以有效的减小输入功率实现片上半导体激光器和微腔集成器件，这是未来微腔光频梳应用的发展趋势。因此优化微腔器件制备方法，获得高品质因子氮化硅微腔是光频梳应用上亟待解决的难题。

技术实现思路

1、为了解决现有微腔光频梳单孤子态调试过程繁琐，不能自动恢复的难题，本发明的目的是提供一种光频梳自动恢复装置及方法，通过iq调制器对激光器的波长进行大范围快速调谐；利用声光调制器对激光器强度进行调制；利用pid对光电探测器检测到的输出功率的上升下降沿进行检测，并通过上位机对激光器、锁相环和任意波形发生器进行反馈，实现对光频梳孤子态的监测和自动寻找，进而能够自动产生及恢复孤子态，提高微腔光频梳单孤子态调试精度和效率。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种光频梳自动恢复装置，包括激光器、iq调制器、声光调制器、光纤放大器、偏振控制器、微环谐振腔、压控振荡器、任意波形发生器、光电探测器、pid模块、上位机。

4、所述激光器为窄线宽激光器，作为泵浦光源；iq调制器为基于铌酸锂的双平行结构的马赫曾德尔结构调制器，用于产生载波抑制单边带，实现对激光器光波长的调谐；声光调制器用于实现对激光器光功率的调制；光纤放大器为掺铒或者铒镱共掺光纤放大器，用于对激光器光功率的放大；偏振控制器用于对激光器的光偏振方向进行调节使其匹配微腔内的偏振方向；微环谐振腔为非线性光学无源器件，用于发生非线性克尔效应从而产生光频梳；压控振荡器的输出振荡频率作为iq调制器的射频输入，即调谐范围；任意波形发生器用于产生线性电压信号控制声光调制器；光电探测器用于接收从微腔输出的光信号并转化为电信号；pid模块用于对输出电信号进行监测，判断上升沿下降沿来给激光器、iq调制器和声光调制器反馈信号；上位机用于控制激光器和任意波形发生器等器件。

5、本发明公开的一种光频梳自动恢复方法，基于所述光频梳自动恢复装置实现，包括如下步骤：

6、步骤一：测试光频梳调试系统的传输损耗，所述传输损耗包括激光进入微腔前的耦合对准损耗和进入微腔后的波导传输损耗，进入微腔前后的光功率差为两端耦合损耗和波导损耗之和；

7、步骤二：调节锁相环内压控振荡器的偏置电压从而改变其输出频率，该输出频率作为射频信号施加给iq调制器,激光经过处于单边带调制工作状态的iq调制器，其出射光为在输入激光频率基础上移动输出频率这么多的单边带，控制锁相环内压控振荡器的偏置电压的幅值变化和变化速率，即对应激光器的扫频范围和扫描速率，从而实现对微腔频率扫描的效果，得到微腔的传输曲线；

8、步骤三：控制锁相环内压控振荡器的偏置电压，让激光波长从蓝失谐进入微腔内，此时微腔的输出光功率逐渐减小，通过调节声光调制器的偏置电压逐渐降低激光器的输出功率，并保持波长不变，当pid检测到光功率上升时，控制声光调制器偏置电压使激光功率快速上升直到pid检测到上升台阶，此时调节iq调制器的射频输入信号的功率缓慢增加激光频率并保持输入功率不变，直到观察到单孤子光频梳；

9、步骤四：当pid再次检测到输出光功率上升时说明单孤子消失，此时利用上位机重复步骤三，即控制激光器和任意波形发生器再次恢复到初始状态，由此可实现光频梳的自动恢复。

10、有益效果：

11、1、本发明公开的一种光频梳自动恢复装置及方法，采用锁相环来实现对激光器的扫频功能，可以实现大范围、快速的频率扫描，通过时间序列来实现激光器的频率变化的精确控制；

12、2、本发明公开的一种光频梳自动恢复装置及方法，采用pid检测微腔输出功率的变化，可以快速准确的检测到微腔输出功率的微弱变化，实现对激光的精确反馈控制。

13、提供一种装置简单且能够自动产生及恢复孤子态的调制装置，解决了现有微腔光频梳单孤子态调试过程繁琐，不能自动恢复的难题，可实现鲁棒性微腔光频梳单孤子态，并且对实现光频梳系统的程序化控制即小型化应用具有重要意义。

技术特征：

1.一种光频梳自动恢复装置，其特征在于：包括激光器、iq调制器、声光调制器、光纤放大器、偏振控制器、微环谐振腔、压控振荡器、任意波形发生器、光电探测器、pid模块、上位机；

2.一种光频梳自动恢复方法，基于如权利要求1所述一种光频梳自动恢复装置实现，其特征在于：包括如下步骤，

技术总结
本发明公开的一种光频梳自动恢复装置及方法，属于硅基非线性光学光电调制领域。本发明包括激光器、IQ调制器、声光调制器、光纤放大器、偏振控制器、微环谐振腔、锁相环、任意波形发生器、光电探测器、PID模块、上位机。测试光频梳调试系统的传输损耗包括激光进入微腔前的光纤损耗和进入微腔后的传输损耗；调节锁相环输出频率范围，对微腔进行频率扫描；激光波长从蓝失谐进入，通过声光调制器逐渐降低激光器输出功率，并保持波长不变，当PID检测到功率上升时，控制激光功率快速上升直到PID检测到上升台阶，缓慢增加激光频率并保持功率不变，直到观察到单孤子光频梳；当单孤子消失重复让激光波长从蓝失谐进入后的控制步骤，实现光频梳自动恢复。

技术研发人员：冯梁森,李维,陈佳旭,武腾飞
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14