片上孤子光学频率梳集成与测试研究

刘 浩 ,高小强 ,段 硕 ,吴 宸

(1.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076;2.北京航天自动控制研究所,北京 100039)

1 引言

光学频率梳是由一系列频率稳定并且其间隔相等的梳齿组成的宽带光谱。德国马普所(Max Planck Institute)的T.Hansch 和美国NIST(National Institute of Standards and Technology)的J.Hall 就因其在光频梳精密测量领域的贡献共同获得了诺贝尔物理学奖[1,2]。早期的光频梳一般是由锁模激光器产生的,不仅体积大功耗大,对环境的要求也比较高,需要频繁维护,并且存在光谱窄、重频低等局限性。近年来,微纳加工技术和集成光学快速发展,极大地促进了光频梳的小型化进程[3-14]。基于微腔非线性光学产生的克尔光频梳,与传统光梳相比,具有较高的重频、光谱宽的特点,它的梳模间隔从GHz 到THz 量级,可利用色散效应产生多个倍频程孤子光梳;另外,微环谐振腔的品质因子非常高,目前最高Q值已到达109,可使得阈值功率大幅下降;并且由于它的有效模式体积很小,相比于传统光频梳可兼顾小体积与低功耗,具备小型化的优势,使片上集成光源成为可能。

2 孤子光梳生成机制

在微环谐振腔中,由于材料结构的对称性,不考虑二阶非线性作用,主要考虑三阶。三阶非线性引起的介质折射率变化,也就是与电场平方成正比的克尔非线性效应,主要有自相位交叉相位调制、四波混频、三次谐波等。四波混频是光频梳的主要物理机理,用于扩展梳齿。

当湮灭的两个光子频率相同时,称为简并四波混频。反之,两个不同频率的光子发生作用,为非简并过程。当具有一定功率的泵浦光进入微环谐振腔时,产生级联四波混频过程,即简并、非简并的四波混频同时作用,使越来越多的新频率成分出现,最终促进光频谱的扩展,形成稳定的孤子光学频率梳,如图1 所示。

图1 光学微环谐振腔产生光学频率梳原理[16]Fig.1 Principle of optical frequency comb generation using optical micro-resonators

3 孤子光梳产生方案与测试

3.1 产生方案

试验中采用自由光谱范围(FSR)为49 GHz 的微环谐振腔(实物图如图2 所示,蝶形封装后如图3所示)产生低噪态光学频率梳源(即光孤子源),利用辅助光实现微腔内的热平衡,其中泵浦激光采用NKT 激光器,其波长保持在1 560.2 nm,线宽约为1 kHz。为消除光孤子产生过程中出现的热不稳定性,引入了辅助激光来消除微环谐振腔中的热效应。产生光孤子频梳的试验示意图如图4 所示。

图2 微腔实物图Fig.2 Picture of micro-ring resonator

图3 蝶形封装好的微腔Fig.3 Butterfly encapsulated micro-ring resonator

图4 孤子光频梳产生试验示意图Fig.4 Schematic diagram of soliton optical frequency comb generation test

试验中通过调节微环谐振腔外接的温度控制器(TEC)改变微环谐振腔的群折射率,从而达到调谐谐振峰的目的。光谱仪、示波器和频谱仪分别用来监控光谱,腔内能量以及频谱特征,通过这些特征来判断光孤子的产生。试验中泵浦激光和辅助激光的放大功率分别为1.0 W 和0.9 W,片上功率分别为0.4 W 和0.35 W。采用同时调谐TEC 和放大器功率的方法,可以产生高稳定的单孤子源。

3.2 测试结果

3.2.1 Q 值测试与重频测试

光学微环谐振腔的测试采用激光器波长扫描法测量微环谐振腔的透射光谱方法得到其品质因子,如图5 所示,从透射谱曲线可得第一个微环谐振腔FSR为48.925 9 GHz,Q值为1.43 ×106;第二个微环谐振腔的FSR为48.911 21 GHz,Q值为1.53 ×106。两个微环谐振腔均满足参量微腔光频梳的要求,重频差为14.69 MHz,可用于吸收光谱的精密扫描,如图6 所示。

图5 微环谐振腔Q 值测试结果Fig.5 Q value test results of micro-ring resonator

图6 双孤子光梳的重频差测试结果Fig.6 Test results of double soliton optical combs of difference in repetition frequency

3.2.2 孤子光梳演化的试验观测过程

孤子光频梳产生过程是从四波混频开始的,初始状态如图7(a)所示,首先是简并四波混频,两个足够强的泵浦光子湮灭,产生一个能量和频率更高的光子,产生一个能量和频率更低的另一个光子,形成主梳状态,如图7(b)所示。在四波混频的过程中,当产生的信号和空闲波足够强时,通过所谓的非简并四波混频和与泵浦的相互作用,便可以产生新的频率和边带,即产生次级光梳,如图7(c)所示,级联混频过程能产生其他频率形成频率,形成多孤态,随着腔内增益和损耗的平衡,多孤子态可演变成双孤子态或者完美孤子晶体态,最终形成单孤子态。通过光谱仪实时观测可以记录孤子光梳的总体演化过程。

图7 孤子光频梳的试验观测过程Fig.7 Test observation process of soliton optical frequency comb

4 基于微腔孤子双光梳的光谱测量

采用两个自由光谱范围约为49 GHz 的微环谐振腔作为双低噪态光学频率梳源(即双光孤子源),其中泵浦激光为一台线宽为100 Hz 的光纤激光器(NKT Koheras BASIK),其波长为1 560.2 nm。微环谐振腔内的热环境不稳定的,难以维持稳定的单孤子,通过辅助激光热平衡方案,并配合温度和泵浦功率的调谐,可以实现微腔孤子光频梳的稳定产生。双光孤子频梳测量系统如图8 所示。

得到双孤子源之后,分别将两个微环谐振腔的输出端各接一个1/9 分束器,1 端口的输出功率约为3 mW,9 端口的输出功率约为27 mW。将两个1端口各接入一台光谱仪检测孤子态,将两个9 端口通过5/5 耦合器耦合后接入可调谐带通滤波器(TBF)。接入TBF 的目的有两个:其一,滤除功率较高泵浦光和辅助光,以此来提高信噪比;其二,滤掉泵浦光(中心频率为1 560.2 nm)右边的光谱,避免双光谱拍频后造成的干扰。从TBF 出来的信号又通过另一个5/5 分束器分成两路,一路经过气体吸收池(C2H2,400 Torr)后经探测器接入频谱仪和示波器,另一路不经过气体吸收池后经探测器接入频谱仪和示波器。若从TBF 出来的信号比较弱,亦可经过放大器(EDFA)放大后再经探测器接入频谱仪和示波器。经过处理得到的C2H2吸收光谱如图9 所示,实现了精细光谱的扫描。

5 结束语

利用微环谐振腔开展了片上孤子光学频率梳集成与测试研究,实现了孤子光学频率梳的集成封装,观测到孤子光梳了演化过程,实现了宽带孤子光频梳波长范围大于100 nm,重复频率大于49 GHz,双梳重频差14.69 MHz,可实现C2H2超精细光谱的获取。

随着集成光梳的出现,精密测量系统已经逐渐小型化,未来有望形成产品,满足市场对微型光谱仪、精密测距仪等精密测量仪器的迫切需求。受益于低功耗、小型化、高重频及易集成等优点,耗散克尔孤子(Dissipative Kerr Soliton,DKS)光梳展现了巨大潜能,是下一代片上集成光源的优选方向,有望为时频、测距、成像、精密光谱等领域带来颠覆性发展。