CN115437193B - 一种锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法，基于同一个微环谐振腔中的不同谐振峰间频率抖动相同的特性，首先设计一微环谐振腔，使该微环谐振腔存在两个谐振峰分别与第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n对齐，然后，利用光学滤波器，将克尔光孤子第0根以及第n根梳齿滤出，一同输入到微环谐振腔中，并调节微环谐振腔的温度使其进入两个谐振峰中，最后通过探测锁定频率f₀和f_n的功率变化，分别调节克尔光孤子的泵浦功率以及泵浦光频率，使锁定频率f₀和f_n锁定对应的两个谐振峰上，这样将克尔光孤子随机抖动的克尔光孤子的重复频率Δf_rep锁定到一个固有常数值上，从而实现了克尔光孤子重复频率噪声的锁定。

Description

一种锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法。

背景技术

以离散和等间距频率为特征的光学频率梳在光学合成和高精度光学计量等领域具有许多应用。而耗散克尔孤子(简称以下克尔光孤子)作为光学频率梳的一种，依赖于非线性和色散以及耗散和增益的双重平衡，提供了具有微波至太赫兹重复频率的相干宽带微梳光谱系统，以满足高精度光学计量的应用。而通过锁定重复频率噪声，有望提升克尔光孤子的长期频率稳定性，增强低相位噪声克尔光孤子的频率稳定性，有助于提高其在精密光谱学领域，如太比特光相干通信、原子钟、超快距离测量、光微波信号处理、天体物理光谱仪等方面的应用。

基于光子学原理产生光学频率梳的产生方法主要分为两种，一种是基于电光调制产生光学频率梳，一种是基于锁模光纤或固态激光器产生的光学频率梳。在电光调制方法中，电光调制器驱动微波振荡器产生倍频光梳，提取所需模式的光学频率梳。该方法的优势在于克服了电振荡器的频率缩放，但一个显着缺点是产生的光学频率梳的相位噪声是微波振荡器噪声的累加，这表明该方法产生的光学频率梳相位噪声永远不会低于微波振荡器。另一种基于锁模光纤或固态激光器产生的光学频率梳的方案中，通过光学分频的方法，将一种光学频率梳模式锁相到低噪声光学参考上，产生了低相位噪声和高频率稳定性的微波。即便无光学参考，光纤和固态激光器现在也可产生具有极低的相位噪声的光学频率梳。然而，光纤和固态激光器都不适用于太赫兹波的产生，因为其产生的光学频率梳重复频率往往低于1GHz，很难转化成太赫兹频率，限制其在太赫兹领域的应用。

克尔光孤子的优势在于可以产生大于100GHz的重复频率的低相位噪声太赫兹波。对于太赫兹量级的载波，在10KHz的频偏下，克尔光孤子的相位噪声可低于-100dBc/Hz，具有极大优势。此外，克尔光孤子是由使用CMOS兼容工艺制造的微环谐振腔产生，因此具有高集成度和高重复性的优势，并且可大规模生产集成。然而，尚未研究产生低噪声太赫兹波的最基本参数，即放大梳状模式之间的相对相位噪声。而检测到的孤子脉冲流中相位噪声的基本极限(以及等效的定时抖动)是由量子波动引起的。克尔光孤子的相位噪声主要根据产生克尔光梳的方式不同，以各种方式与孤子运动耦合，最后转化为重复频率的变化。例如，克尔光孤子中的拉曼自频移可以将失谐频率的变化(微环谐振腔模式的中心频率与泵浦激光场的频率差)转移到孤子重复率的变化。它通过在孤子频谱的中心频率上引起频率偏移，进而引起孤子包络随着泵浦失谐频率的变化。然后，群速度色散将这些光谱偏移转换为孤子往返传播时间的变化，从而转化为重复率的变化。对于孤子重复频率的锁定有助于降低孤子相位噪声，提高其稳定性，从而提供而太赫兹量级、低噪声的微波源，以使其在包括精密光谱学、太比特光相干通信系统等应用领域内具有广阔前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法，利用同一个微环谐振腔中的不同谐振峰间频率抖动相同的特性，选取克尔光孤子的两个梳齿与对应位置谐振峰进行频率锁定，从而获得低相位噪声，得到高频率稳定性的光学频率梳。

为实现上述发明目的，本发明锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、产生孤子锁模克尔光学频率梳即克尔光孤子，对克尔光孤子的梳齿进行编号：泵浦光梳齿为0，频率小于泵浦光梳齿的梳齿依次为-1、-2、…、 -N+1,-N，频率大于泵浦光梳齿的梳齿依次为：1、2…、N-1、N，根据克尔光孤子频率特性，第n根梳齿的频率表示为：

f_n＝f₀+nΔf_rep

其中，N为克尔光孤子梳齿的数量，n∈[1,N]，Δf_rep代表克尔光孤子的重复频率，由与热噪声、泵浦频率噪声的影响，Δf_rep不为常数，是一个随机抖动的变化量；

(2)、选取克尔光孤子第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n作为锁定频率，根据选取的锁定频率，设计一微环谐振腔，使该微环谐振腔存在两个谐振峰，其中心频率分别为f_m、f_m+c₀，其中，c₀为常数，并且使谐振峰中心频率f_m与第0根梳齿的频率f₀对齐，使谐振峰中心频率f_m+c₀与第n根梳齿的频率f_n对齐；

(3)、利用光学滤波器，将克尔光孤子第0根以及第n根梳齿滤出，一同输入到微环谐振腔中；

(4)、调节微环谐振腔的温度，将谐振峰从低频处向高频处移动，使第0 根梳齿的频率f₀进入中心频率f_m的谐振峰中，第n根梳齿的频率f_n进入中心频率 f_m+c₀的谐振峰中；

(5)、在微环谐振腔的输出端，探测第0根梳齿、第n根梳齿的功率变化，得到第0根梳齿的功率变化ΔP₀以及第n根梳齿的功率变化ΔP_n，并以功率变化ΔP₀作为误差信号，利用PID锁频电路，调节克尔光孤子的泵浦功率，以功率变化ΔP_n作为误差信号，利用PID锁频电路，调节克尔光孤子的泵浦光频率，将第 0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n分别锁定到微环谐振腔对应的两个谐振峰上，此时第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n与中心频率为f_m、f_m+c₀有如下关系：

f₀＝f_m+c₁

f_n＝f_m+c₀+c₂

其中，c₁、c₂为常数，分别代表第0根、第n根梳齿进入对应的两个谐振峰中后，距离分别距离对应谐振峰中心频率的频率差值，将两式相减，得到：

nΔf_rep＝c₀+c₂-c₁

即，Δf_rep被固定到一个常数值上，实现了克尔光孤子的重复频率噪声锁定。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法，基于同一个微环谐振腔中的不同谐振峰间频率抖动相同的特性，首先设计一微环谐振腔，使该微环谐振腔存在两个谐振峰分别与第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n对齐，然后，利用光学滤波器，将克尔光孤子第0根以及第n根梳齿滤出，一同输入到微环谐振腔中，并调节微环谐振腔的温度使其进入两个谐振峰中，最后通过探测锁定频率f₀和f_n的功率变化，功率变化反应的是频率变化，得到两个反应频率变化的误差信号，分别调节克尔光孤子的泵浦功率以及泵浦光频率，使锁定频率f₀和 f_n锁定对应的两个谐振峰上，这样将克尔光孤子随机抖动的克尔光孤子的重复频率Δf_rep锁定到一个固有常数值上，从而实现了克尔光孤子重复频率噪声的锁定，获得具有低重复频率噪声的克尔光孤子，满足其在太赫兹、精密光谱学等其他领域的应用需求。

附图说明

图1是本发明锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法一种具体实施方式的流程图；

图2是图1所示锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法的原理示意图

图3是锁定第0根梳齿(泵浦梳齿)的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n的对齐效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法一种具体实施方式的流程图。

在本实施例中，如图1所示，锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：产生克尔光孤子

在本实施例中，图2所示，克尔光孤子产生装置1产生孤子锁模克尔光学频率梳即克尔光孤子，对克尔光孤子的梳齿进行编号：泵浦光梳齿为0，频率小于泵浦光梳齿的梳齿依次为-1、-2、…、-N+1,-N，频率大于泵浦光梳齿的梳齿依次为：1、2…、N-1、N。在本实施例中，克尔光孤子如图3所示，根据克尔光孤子频率特性，第n根梳齿的频率表示为：

f_n＝f₀+nΔf_rep

其中，N为克尔光孤子梳齿的数量，n∈[1,N]，Δf_rep代表克尔光孤子的重复频率，由与热噪声、泵浦频率噪声的影响，Δf_rep不为常数，是一个随机抖动的变化量。

步骤S2：设计一微环谐振腔，其存在两个谐振峰与第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n对齐

选取克尔光孤子第0根梳齿的频率f₀₁、第n根梳齿的频率f_n作为锁定频率，根据选取的锁定频率，设计如图2所示的一微环谐振腔3，使该微环谐振腔3存在两个微环谐振峰(简称谐振峰)，作为锁定基准，供频率抖动稳定的谐振峰，其中心频率分别为f_m、f_m+c₀，其中，c₀为常数，并且使谐振峰中心频率f_m与第0根梳齿的频率f₀对齐，使谐振峰中心频率f_m+c₀与第n根梳齿的频率f_n对齐，如图3所示。第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n分别与两个谐振峰的频率对齐f_m、f_m+c₀，但不要求每一个克尔光孤子梳齿都有与之对应的谐振峰，只要求克尔光孤子有至少两个梳齿的频率可以分别与微环谐振腔3两个谐振峰频率对应即可，锁定第0根梳齿(泵浦梳齿)的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n的对齐效果如图3所示。

步骤S3：将第0根以及第n根梳齿滤出输入到微环谐振腔3中

如图2所示，利用光学滤波器2，将克尔光孤子第0根以及第n根梳齿滤出，一同输入到微环谐振腔3中。

步骤S4：调节微环谐振腔的温度，使第0根以及第n根梳齿的频率f₀、f_n进入对应的谐振峰中

调节微环谐振腔3的温度，将谐振峰从低频处向高频处移动，使第0根梳齿的频率f₀进入中心频率f_m的谐振峰中，第n根梳齿的频率f_n进入中心频率 f_m+c₀的谐振峰中。

步骤S5：探测第0根梳齿、第n根梳齿的功率变化，并作为误差信号分别调整克尔光孤子的泵浦功率以及泵浦光频率，锁定第0、n根梳齿的频率f₀、f_n

在微环谐振腔3的输出端，功率计4探测第0根梳齿、第n根梳齿的功率变化，得到第0根梳齿的功率变化ΔP₀以及第n根梳齿的功率变化ΔP_n，功率变化反应的是梳齿频率变化，因此可以以功率变化ΔP₀作为误差信号，利用PID(比例微分积分)锁频电路5，调节克尔光孤子的泵浦功率，以功率变化ΔP_n作为误差信号，利用PID锁频电路5，调节克尔光孤子的泵浦光频率，进而调整第0 根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n，将第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n分别锁定到微环谐振腔3对应的两个谐振峰上。

由于同一个微环谐振腔3中的不同谐振峰间频率抖动相同，所以微环谐振腔3的不同谐振峰间的频率差值为一个常数，记为c₀。将克尔光孤子中的泵浦光梳即第0根梳齿与第n根梳齿滤出后耦合至微环谐振腔3中，通过调节温度，将谐振峰从低频处向高频处移动，使克尔光孤子中的第0根梳齿与第n根梳齿进入到对应的谐振峰当中去，进入谐振峰后，第0根梳齿被固定到距离对应谐振峰的中心频率相差c₁的频率处，其中，c₁为常数。此时第0根梳齿的频率f₀与对应谐振峰的中心频率f_m，有如下关系：

f₀＝f_m+c₁

进入谐振峰后的第n根梳齿被固定到距离对应谐振峰的中心频率相差c₂的频率处，其中，c₂为常数。此时第n根梳齿的频率f_n与对应谐振峰的中心频率 f_m+c₀，有如下关系：

f_n＝f_m+c₀+c₂

由上述两个式子可以看到，由于谐振峰的相对抖动相同，c₀为常数，从而进入到谐振峰的第0根梳齿与第n根梳齿的相对抖动也会受到谐振峰的限制，变得相同。

将上述两个式子相减，由于f_n＝f₀+nΔf_rep，得到：

nΔf_rep＝c₀+c₂-c₁

即：

Δf_rep＝(C₀+c₂-c₁)/n＝const

从而实现了将克尔光孤子随机抖动的重复频率Δf_rep固定到一个恒定值上，实现了克尔光孤子的重复频率噪声锁定。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种锁定克尔光孤子重复频率噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、产生孤子锁模克尔光学频率梳即克尔光孤子，对克尔光孤子的梳齿进行编号：泵浦光梳齿为0，频率小于泵浦光梳齿的梳齿依次为-1、-2、.....、-N+1,-N，频率大于泵浦光梳齿的梳齿依次为：1、2.....、N-1、N，根据克尔光孤子频率特性，第n根梳齿的频率表示为：

f_n＝f₀+nΔf_rep

其中，N为克尔光孤子梳齿的数量，n∈[1,N]，Δf_rep代表克尔光孤子的重复频率，由与热噪声、泵浦频率噪声的影响，Δf_rep不为常数，是一个随机抖动的变化量；

(2)、选取克尔光孤子第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n作为锁定频率，根据选取的锁定频率，设计一微环谐振腔，使该微环谐振腔存在两个谐振峰，其中心频率分别为f_m、f_m+c₀，其中，c₀为常数，并且使谐振峰中心频率f_m与第0根梳齿的频率f₀对齐，使谐振峰中心频率f_m+c₀与第n根梳齿的频率f_n对齐；

(3)、利用光学滤波器，将克尔光孤子第0根以及第n根梳齿滤出，一同输入到微环谐振腔中；

(4)、调节微环谐振腔的温度，将谐振峰从低频处向高频处移动，使第0根梳齿的频率f₀进入中心频率f_m的谐振峰中，第n根梳齿的频率f_n进入中心频率f_m+c₀的谐振峰中；

(5)、在微环谐振腔的输出端，探测第0根梳齿、第n根梳齿的功率变化，得到第0根梳齿的功率变化ΔP₀以及第n根梳齿的功率变化ΔP_n，并以功率变化ΔP₀作为误差信号，利用PID锁频电路，调节克尔光孤子的泵浦功率，以功率变化ΔP_n作为误差信号，利用PID锁频电路，调节克尔光孤子的泵浦光频率，将第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n分别锁定到微环谐振腔对应的两个谐振峰上，此时第0根梳齿的频率f₀、第n根梳齿的频率f_n与中心频率为f_m、f_m+c₀有如下关系：

f₀＝f_m+c₁

f_n＝f_m+c₀+c₂

其中，c₁、c₂为常数，分别代表第0根、第n根梳齿进入对应的两个谐振峰中后，距离分别距离对应谐振峰中心频率的频率差值，将两式相减，得到：

nΔf_rep＝c₀+c₂-c₁

即Δf_rep被固定到一个常数值上，实现了克尔光孤子的重复频率噪声锁定。