梳齒間距可調的光纖四波混頻光頻梳

《梳齒間距可調的光纖四波混頻光頻梳》是依託清華大學，由楊昌喜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：梳齒間距可調的光纖四波混頻光頻梳
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：楊昌喜
• 項目類別：面上項目

項目摘要

光學頻率梳的出現使很多重要的研究課題，如光鐘、光頻測量、天文學光譜標定等的發展成為可能。目前獲得光頻梳最常用的方法是鎖模雷射器，然而由於其梳齒間距很難達到10 GHz甚至更大，限制了它在天文學光譜標定、微波光子學、光波形合成、太赫茲波的產生等重要領域的套用。儘管近來提出的利用高Q環形諧振微腔可獲得梳齒間距很大的光頻梳，但其與鎖模雷射器類似，都藉助了振盪器結構，因而從本質上難以實現梳齒間距的靈活調諧。在很多套用中，光頻梳的可調諧性是一個重要的先決條件。調諧並精確控制單根梳齒的絕對頻率和梳齒間距，從而控制整個光頻梳的絕對位置情況，在光譜學套用中尤為關鍵。本項目擬研究採用光纖級聯四波混頻產生穩定、梳齒可調的光頻梳的技術。採用兩個自製的穩定連續摻鉺光纖雷射器作為泵浦源，將拍頻信號注入到參數最佳化的高非線性光纖中，通過級聯的四波混頻過程產生寬光譜的光頻梳，實現大的梳齒間距以及靈活可調的梳齒頻率。

結題摘要

梳齒間距可調諧對於光學頻率梳的廣泛套用是十分重要的特性。基於四波混頻的光學頻率梳從本質上滿足這一特性。我們對光纖中的級聯四波混頻過程進行了模擬分析及實驗研究，對光纖四波混頻的產生和最佳化的物理過程得到較深入的理解，並在此基礎上利用兩種不同的方法拓寬級聯四波混頻的譜寬，得到了譜寬較寬，信噪比較高的寬頻四波混頻結果。通過研究非線性薛丁格方程和四波混頻耦合波方程，我們分析得到輸入場特性，非線性光纖特性以及級聯四波混頻過程引入噪聲對產生頻譜的性能的影響規律。以此為基礎，我們搭建了高非線性光纖中產生級聯四波混頻的實驗，並研究通過引入光纖閉環反饋結構改善產生頻譜特性的方法。引入光學反饋的機制類似於光學參量振盪器，通過反饋結構使輸出重新輸入，不斷放大信號光和閒頻光，並且當反饋回輸入端的光功率比例變大時，閒頻光的功率明顯增加，即轉換效率和光譜頻寬都顯著增加。利用此方法，在輸入場總功率僅0.5W的情況下可得到150nm以上的級聯四波混頻光譜。另外，我們通過將色散漸減的光纖級聯，一方面加快了四波混頻的產生，這使得利用較短光纖產生優質的四波混頻頻譜成為可能，避免了使用長光纖帶來的諸多弊端。另一方面，這種方法進一步拓寬了四波混頻的頻譜，並提高了轉換效率，在合理的設計下，轉換效率可提高50%以上。 在光纖級聯四波混頻光頻梳的研究基礎上，我們還對克爾光頻梳進行了較深入的研究。首先我們對克爾光頻梳產生過程中的級聯四波混頻過程的相位匹配進行了定量的分析，穩定的克爾光梳產生過程是由於克爾效應引起的非線性色散精確地補償環形腔線性色散的過程，一旦非線性色散與線性色散達到某種平衡，便可形成穩定的腔孤子。當兩者不能精確補償時，微環腔可能產生呼吸孤子。在頻域上，由於非線性的牽引作用，非線性色散和線性色散呈現周期性地補償效應，導致呼吸孤子的產生。我們對克爾光頻梳腔孤子的載波包絡相移進行了解析和分析，腔孤子的載波包絡相移與泵浦光相位偏離保持恆等關係。據此我們解釋了腔孤子的峰值功率與泵浦光相位偏離間存線上性關係，呼吸孤子的出現伴隨著載波包絡相移的周期性變化。進一步研究了拉曼散射和克爾自陡效應對呼吸孤子激發條件和相干性的影響。