一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳

本发明属于双光学频率梳，具体涉及一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳。

背景技术：

1、光学频率梳作为一种革命性的频率计量工具，具有无与伦比的精确测量精度。通过使用两个重复频率略有不同的光学频率梳发生多纵模外差干涉可形成双光学频率梳，其不仅可以在无需机械扫描的情况下快速测量光谱，而且还可以利用外差检测进一步提高测量精度，通过将光频成分下转换到射频区域后可直接用光电探测器进行检测，借助傅里叶转换即可得到实际的光频信号，极大的降低了对探测器带宽的依赖程度。双光梳具有的高灵敏度、高分辨率和高精确度等优势在高速光谱学、精密计量学、高光谱光学成像、高灵敏度光学传感等方面具有强大的应用前景。

2、传统的双光学频率梳包含两个独立的具有重复频率差的锁模激光器，这需要额外的复杂且庞大的光学及电学锁定装置以实现两个光频梳之间的高稳定性和高互相干性，这无疑增加了系统的复杂度并极大的限制了双光梳的实际使用。为了解决这个问题，近年来研究学者逐渐关注单腔双光梳技术，即在一个锁模激光器中通过复用的方式输出两套重复频率略有差异的异步脉冲序列，这极大的降低了双光梳系统的复杂度，且由于两个异步锁模脉冲序列是同源的，其共享相同的环境干扰，被动地保持了极高的互相干性，因此具有稳定性好、共模噪声低等杰出优势，极大的方便了双光学频率梳的实际应用。通常使用的复用方式有比如通过使用双波长激光器实现的波长复用(picometer-resolution dual-combspectroscopy with a free-running fiber laser)，利用光纤双折射效应实现的偏振复用(polarization-multiplexed,single-cavity dual-comb fiber laser based on abirefringent crystal and a saturable absorber)，通过激光传播工作方向不同实现的方向复用(bidirectional mode-locked all-normal dispersion fiber laser)，利用非共路腔结构实现的腔空间复用(a multidimensional multiplexing mode-locked laserbased on a dual-ring integrative structure for tri-comb generation)等等。然而目前大部分复用结构使用的都为环形腔方式，这意味着只能将重复频率限制在khz-mhz量级。为了获得更大的采集速度并提高测量效率，需要使双光梳之间具有较大的重复频率差(刷新时间δfrep为重复频率差)，而为了同时保证足够的光学频率带宽，需要使其工作运转在较高的基频重复频率下。因此，研究并实现一种结构紧凑、高稳定性的全光纤化的高重频线性单腔双光梳具有极大的现实意义。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于多模干涉光谱滤波机制的波长复用高重频单腔双光梳，通过在线性腔中使用单模无源光纤和少模增益光纤的熔接构造基于多模干涉的光谱滤波结构，实现高重频的异步双波长锁模脉冲输出，将两个波长成分分别进行放大和光谱展宽后再合束拍频即得到高重频的单腔双光梳。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，包括半导体可饱和吸收镜、介质膜、单模无源光纤、少模增益光纤、波分复用器、泵浦源、隔离器、滤波型波分复用器、第一放大器、第二放大器、第一高非线性光纤、第二高非线性光纤、光学耦合器；

4、所述半导体可饱和吸收镜与单模无源光纤连接，所述单模无源光纤通过少模增益光纤与介质膜连接，单模无源光纤与少模增益光纤在超短线性腔中的熔接构造等效于“单模无源光纤-少模增益光纤-单模无源光纤”的多模干涉光谱滤波结构，高阶模和基模由于模间群速度差发生时域走离，并在多模光场耦合回单模无源光纤时激发产生高重频异步双波长锁模脉冲，波分复用器的公共端、泵浦端和信号端分别与介质膜、泵浦源和隔离器连接，滤波型波分复用器将隔离器输出的信号光分为两个波长成分，短波长成分通过第一放大器放大和第一高非线性光纤光谱展宽，长波长成分通过第二放大器放大和第二高非线性光纤光谱展宽，最后两个波长成分通过光学耦合器合束拍频得到单腔双光梳。

5、进一步地，所述少模增益光纤为支持多模工作的光纤，其归一化频率大于2.405。

6、进一步地，所述单模无源光纤具有比少模增益光纤更小的模场直径，以减小光与半导体可饱和吸收镜的接触面积，从而增大光在半导体可饱和吸收镜上的能量密度并防止损坏半导体可饱和吸收镜。

7、进一步地，所述半导体可饱和吸收镜的调制深度为1％至30％。

8、进一步地，所述介质膜对信号光的反射率大于70％。

9、进一步地，所述介质膜对泵浦光的透射率大于70％。

10、进一步地，所述单模无源光纤和少模增益光纤的长度之和为低于10cm，以实现大于1ghz的高重频锁模脉冲输出。

11、进一步地，所述少模增益光纤为稀土离子掺杂光纤，掺杂的稀土离子包括铒、镱、铥和钬的一种或几种。

12、进一步地，所述滤波型波分复用器的截止波长介于双波长激光的中心，即恰好能将两个波长成分完全分开。

13、进一步地，所述第一高非线性光纤和第二高非线性光纤的非线性系数均大于10w-1km-1。

14、与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

15、本发明提供的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，通过使用支持多模工作的少模增益光纤和单模无源光纤的熔接作为激光腔增益介质，构造了基于多模干涉的光谱滤波结构实现高重频的异步双波长锁模，并对两个波长成分分别进行放大和光谱展宽后合束得到单腔双光梳。相比起传统的需要使用两个锁模激光器的双光梳，其具有更紧凑的结构和更优越的性能，进一步降低了成本和系统复杂度。此外，由于高重频的异步双波长脉冲是在同一个激光腔中产生，其共享环境干扰，表现为脉冲序列间的相对频率稳定性高、相干性好、共模噪声低，在实际应用中具有巨大优势。

技术特征：

1.一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，包括半导体可饱和吸收镜(1)、介质膜(4)、单模无源光纤(2)、少模增益光纤(3)、波分复用器(5)、泵浦源(6)、隔离器(7)、滤波型波分复用器(8)、第一放大器(9)、第二放大器(10)、第一高非线性光纤(11)、第二高非线性光纤(12)、光学耦合器(13)；

2.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述少模增益光纤(3)为支持多模工作的光纤，其归一化频率大于2.405。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述单模无源光纤(2)具有比少模增益光纤(3)更小的模场直径，以减小光与半导体可饱和吸收镜(1)的接触面积，从而增大光在半导体可饱和吸收镜(1)上的能量密度并防止损坏半导体可饱和吸收镜(1)。

4.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜(1)的调制深度为1％至30％。

5.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述介质膜(4)对信号光的反射率大于70％。

6.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述介质膜(4)对泵浦光的透射率大于70％。

7.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述单模无源光纤(2)和少模增益光纤(3)的长度之和为低于10cm，以实现大于1ghz的高重频锁模脉冲输出。

8.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述少模增益光纤(3)为稀土离子掺杂光纤，掺杂的稀土离子包括铒、镱、铥和钬的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述滤波型波分复用器(8)的截止波长介于双波长激光的中心，即恰好能将两个波长成分完全分开。

10.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，其特征在于，所述第一高非线性光纤(11)和第二高非线性光纤(12)的非线性系数均大于10w-1km-1。

技术总结本发明公开了一种基于多模干涉光谱滤波的高重频单腔双光梳，包括半导体可饱和吸收镜、介质膜、单模无源光纤、少模增益光纤、泵浦源、隔离器、波分复用器等；所述半导体可饱和吸收镜与单模无源光纤连接，介质膜与少模增益光纤连接，单模无源光纤与少模增益光纤在超短线性腔中的熔接构造了等效于单模无源光纤‑少模增益光纤‑单模无源光纤的多模干涉光谱滤波结构，激发产生高重频异步双波长锁模脉冲，两个波长成分通过滤波型波分复用器分开，短波长成分通过第一放大器放大和第一高非线性光纤光谱展宽，长波长成分通过第二放大器放大和第二高非线性光纤光谱展宽，最后两个波长成分通过光学耦合器合束拍频得到单腔双光梳。技术研发人员：韦小明,凌琳,杨中民受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10