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展,極大地促進了光頻梳的小型化進程[3-14]。基于微腔非線性光學產生的克爾光頻梳,與傳統光梳相比,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,相比于傳統光頻梳可兼顧小體積與低功耗,具備小型化的優勢,使片上集成光源成為可能。

2 孤子光梳生成機制

在微環諧振腔中,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生作用,為非簡并過程。當具有一定功率的泵浦光進入微環諧振腔時,產生級聯四波混頻過程,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,最終促進光頻譜的擴展,形成穩定的孤子光學頻率梳,如圖1 所示。

圖1 光學微環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)產生低噪態光學頻率梳源(即光孤子源),利用輔助光實現微腔內的熱平衡,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的熱不穩定性,引入了輔助激光來消除微環諧振腔中的熱效應。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

試驗中通過調節微環諧振腔外接的溫度控制器(TEC)改變微環諧振腔的群折射率,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

光學微環諧振腔的測試采用激光器波長掃描法測量微環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諧振腔FSR為48.925 9 GHz,Q值為1.43 ×106;第二個微環諧振腔的FSR為48.911 21 GHz,Q值為1.53 ×106。兩個微環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,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,級聯混頻過程能產生其他頻率形成頻率,形成多孤態,隨著腔內增益和損耗的平衡,多孤子態可演變成雙孤子態或者完美孤子晶體態,最終形成單孤子態。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 的微環諧振腔作為雙低噪態光學頻率梳源(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。微環諧振腔內的熱環境不穩定的,難以維持穩定的單孤子,通過輔助激光熱平衡方案,并配合溫度和泵浦功率的調諧,可以實現微腔孤子光頻梳的穩定產生。雙光孤子頻梳測量系統如圖8 所示。

得到雙孤子源之后,分別將兩個微環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,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,實現了精細光譜的掃描。

5 結束語

利用微環諧振腔開展了片上孤子光學頻率梳集成與測試研究,實現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C2H2超精細光譜的獲取。

隨著集成光梳的出現,精密測量系統已經逐漸小型化,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點,耗散克爾孤子(Dissipative Kerr Soliton,DKS)光梳展現了巨大潛能,是下一代片上集成光源的優選方向,有望為時頻、測距、成像、精密光譜等領域帶來顛覆性發展。