高集成中红外宽带超连续谱产生装置与方法

摘要

本发明涉及高集成中红外宽带超连续谱产生装置与方法，解决其他中红外超连续谱产生方案存在的结构复杂、体积庞大、锁模激光脉冲与频率拓展材料平台难以兼容问题。装置包括泵浦单元，集成脉冲产生单元，超连续谱产生单元，温控单元及光谱分析单元。方法过程中，调节泵浦单元出射窄线宽连续泵浦激光；集成脉冲产生单元接收泵浦激光，发生四波混频过程产生稳定的锁模激光脉冲；超连续谱产生单元接收锁模激光脉冲，并发生级联四波混频、自相位调制等非线性过程，产生中红外宽带超连续谱；利用光谱分析单元观测产生的超连续谱波形及带宽，同时调节温控单元的工作温度，实现稳定的超连续谱输出。本发明能够产生稳定的锁模激光脉冲，实现高效的频率拓展。

权利要求

1.一种高集成中红外宽带超连续谱产生装置，其特征在于：包括泵浦单元、集成脉冲产生单元、超连续谱产生单元、温控单元及光谱分析单元；

所述泵浦单元用于提供窄线宽连续泵浦激光；

所述集成脉冲产生单元包括非线性集成微环谐振腔(3)与直流稳压电源(4)；所述非线性集成微环谐振腔(3)通过其内外圈的环形电极与直流稳压电源(4)连接，其内圈环形电极接地，外圈环形电极接直流稳压电源(4)的负极；所述直流稳压电源(4)用于提供非线性集成微环谐振腔的反向偏压、抑制非线性集成微环谐振腔内自由载流子效应；所述非线性集成微环谐振腔(3)用于接收泵浦激光，发生四波混频过程产生中红外波段锁模激光脉冲；

所述超连续谱产生单元的材料与非线性集成微环谐振腔(3)材料相同，与非线性集成微环谐振腔(3)集成在同一芯片上，用于接收中红外波段锁模激光脉冲并发生非线性过程，产生中红外波段宽带超连续谱；

所述温控单元用于控制非线性集成微环谐振腔(3)与超连续谱产生单元的温度；

所述光谱分析单元用于分析测量产生的中红外超连续谱；

所述超连续谱产生单元包括模场转换器(5)和非线性集成波导(6)；

所述模场转换器(5)的输入端口与非线性集成微环谐振腔(3)的公共端连接，输出端口与非线性集成波导(6)连接，用于匹配非线性集成微环谐振腔(3)与非线性集成波导(6)的模场面积，实现非线性集成微环谐振腔(3)与非线性集成波导(6)耦合；

所述非线性集成波导(6)用于接收中红外波段锁模激光脉冲，发生非线性过程，产生中红外波段宽带超连续谱。

2.根据权利要求1所述的高集成中红外宽带超连续谱产生装置，其特征在于：所述泵浦单元包括窄线宽可调激光器(1)和拉锥透镜光纤(2)；

所述窄线宽可调激光器(1)用于出射连续泵浦激光；所述拉锥透镜光纤(2)的两端分别与窄线宽可调激光器(1)的输出端及非线性集成微环谐振腔(3)的输入端连接，用于将连续泵浦激光耦合至非线性集成微环谐振腔(3)。

3.根据权利要求2所述的高集成中红外宽带超连续谱产生装置，其特征在于：所述温控单元为半导体制冷器(7)，用于控制非线性集成微环谐振腔(3)、模场转换器(5)、非线性集成波导(6)的工作温度。

4.根据权利要求1‑3任一所述的高集成中红外宽带超连续谱产生装置，其特征在于：所述光谱分析单元为光谱分析仪(8)。

5.一种基于权利要求1所述的高集成中红外宽带超连续谱产生装置产生宽带超连续谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、调节泵浦单元出射的窄线宽连续泵浦激光平均功率和中心波长，使得泵浦激光的强度及频率满足非线性集成微环谐振腔(3)内发生四波混频过程的强度阈值条件及频率谐振条件；

步骤二、调节直流稳压电源的输出电压或电流，直至非线性集成微环谐振腔(3)中的自由载流子被完全抑制，发生四波混频过程产生中红外波段锁模激光脉冲；

步骤三、超连续谱产生单元接收中红外波段锁模激光脉冲，并发生非线性过程，产生中红外宽带超连续谱；

步骤四、利用光谱分析单元观测产生的超连续谱波形及带宽，同时调节温控单元的工作温度，实现稳定的超连续谱输出。

6.根据权利要求5所述的产生宽带超连续谱的方法，其特征在于，步骤一具体为：步骤1.1、调节窄线宽可调激光器(1)的输出功率，并缓慢增大其中心波长直至略大于非线性集成微环谐振腔(3)的谐振波长，此时在光谱分析仪(8)中观测到不稳定的锁模激光脉冲光谱；

步骤1.2、保持窄线宽可调激光器(1)的输出功率不变，缓慢减小其中心波长直至等于非线性集成微环谐振腔(3)的谐振波长，此时在光谱分析仪(8)中观测到稳定的锁模激光脉冲光谱。

7.根据权利要求6所述的产生宽带超连续谱的方法，其特征在于，步骤三具体为：中红外波段锁模激光脉冲经过模场转换器(5)模场转换后输入至非线性集成波导(6)；

非线性集成波导(6)接收模场转换后的中红外波段锁模激光脉冲，在自由载流子被抑制条件下，自动发生非线性过程，产生中红外波段宽带超连续谱。

说明书

高集成中红外宽带超连续谱产生装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种宽带超连续谱产生装置与方法，尤其涉及一种高集成中红外宽带超连续谱产生装置与方法。

背景技术

[0002] 超连续谱一般由激光脉冲入射至非线性介质，经过一系列的非线性作用进行频率拓展而形成，是激光技术研究中的基础性工具，在众多基础前沿与应用科学领域具有广泛
价值。而中红外波段不仅是重要的大气窗口，并且与发动机、动力设施等热源相匹配，对于
雷达、制导、探测、光电对抗、空间通信等军事应用意义非凡。同时中红外波段覆盖了水与氨
基化合物的吸收峰，可被所有含羟基或氨基的物质强烈吸收，在生物医学领域也具备重要
价值。因此，中红外超连续谱所具备的超宽带、高亮度和高相干性等优良特性，使其成为了
相干摄影、精密光谱分析、光学相干断层成像、高精度光学频率测量和波分复用光通信系统
等领域的理想光源。

[0003] 传统中红外超连续谱产生通常采用对中红外波段具有低传输损耗的碲酸盐、氟化物或硫系玻璃光纤等实现，并以高非线性系数的光子晶体光纤(PCF)结构为非线性扩频的
核心；但因PCF与传统光纤器件不易耦合封装，导致系统体积较大，无法满足未来信息技术
小型化和集成化的发展需求。

[0004] 随着现代微纳加工工艺发展，基于集成非线性波导的超连续谱产生方案所具备的低损耗、强局限与高非线性以及色散灵活可控等诸多优势，将有望解决传统光纤方案面临
瓶颈，引起了人们广泛关注。然而受片上锁模激光脉冲产生技术与阈值功率限制，目前大多
采取外置的高功率光纤或固体锁模激光器作为非线性波导的泵浦光源，成本高、体积庞大
且耦合效率较低；同时受可芯片集成的非线性材料兼容性约束，用于泵浦的锁模激光脉冲
源与用于扩谱的非线性波导通常为不同材料体系，导致系统结构复杂、一体化集成困难。如
何实现更高集成度的中红外宽带超连续谱，成为制约其广泛现实应用与未来技术发展的关
键难题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种高集成中红外宽带超连续谱产生装置与方法，解决了现有中红外超连续谱产生系统存在的体积较大、结构复杂、效率较低、难以集成、锁模与扩谱
材料平台难以兼容等问题，突破现有的技术瓶颈，具有重大研究意义和现实应用价值。

[0006] 本发明通过采用中红外波段具有高非线性效应的微环谐振腔与波导并将二者相结合，构建结构简单、高集成的中红外宽带超连续谱产生装置。利用高非线性光学材料制备
的微环谐振腔(简称微腔)与集成波导，具有微纳尺度的模场面积及超强的光场束缚能力，
同时可通过改变几何尺寸实现宽带、平坦的负色散，从而能够在宽带范围内均满足低阈值
参量振荡条件，实现稳定的锁模激光脉冲产生和高效的频率拓展过程。

[0007] 为了解决上述问题，本发明的技术解决方案是提供一种高集成中红外宽带超连续谱产生装置，其特殊之处在于：包括泵浦单元、集成脉冲产生单元、超连续谱产生单元、温控
单元及光谱分析单元；

[0008] 上述泵浦单元用于提供窄线宽连续泵浦激光；

[0009] 上述集成脉冲产生单元包括非线性集成微环谐振腔与直流稳压电源；上述非线性集成微环谐振腔通过其内外圈环形电极与直流稳压电源连接，其内圈环形电极接地(零电
压)，外圈环形电极接直流稳压电源负极；上述直流稳压电源用于提供非线性集成微环谐振
腔的反向偏压、抑制非线性集成微环谐振腔内自由载流子效应；上述非线性集成微环谐振
腔用于接收泵浦激光，发生四波混频过程产生稳定的中红外波段锁模激光脉冲；

[0010] 上述超连续谱产生单元的材料与非线性集成微环谐振腔材料相同，与非线性集成微环谐振腔集成在同一芯片上，用于接收中红外波段锁模激光脉冲并发生级联四波混频、
自相位调制等非线性过程，产生中红外波段宽带超连续谱；

[0011] 上述温控单元用于控制非线性集成微环谐振腔与超连续谱产生单元的温度；

[0012] 上述光谱分析单元用于分析测量产生的中红外超连续谱。

[0013] 进一步地，为了接收产生的锁模激光脉冲并通过非线性过程实现宽带超连续谱，上述超连续谱产生单元包括模场转换器和非线性集成波导；上述模场转换器的输入端口与
非线性集成微环谐振腔的公共端连接，输出端口与非线性集成波导连接，上述模场转换器
用于匹配非线性集成微环谐振腔与非线性波导的模场面积、实现高效耦合；上述非线性集
成波导用于接收锁模激光脉冲，发生非线性过程产生超连续谱。

[0014] 进一步地，为了将高能量密度的泵浦激光高效注入至微环谐振腔中，上述泵浦单元包括窄线宽可调激光器和拉锥透镜光纤；上述窄线宽可调激光器用于出射连续泵浦激
光，上述拉锥透镜光纤的两端分别与窄线宽可调激光器的输出端及非线性集成微环谐振腔
的输入端连接，上述拉锥透镜光纤用于将出射激光高效地耦合至非线性集成微环谐振腔。

[0015] 进一步地，为了快速、准确控制单芯片集成的非线性集成微环谐振腔、模场转换器与非线性集成波导的工作温度，上述温控单元为半导体制冷器。

[0016] 进一步地，上述光谱分析单元为光谱分析仪。

[0017] 本发明还提供一种基于上述系统实现中红外宽带超连续谱产生的方法，包括以下步骤：

[0018] 步骤一、调节泵浦单元出射的窄线宽连续泵浦激光平均功率和中心波长，使得泵浦激光的强度及频率满足非线性集成微环谐振腔内显著发生四波混频过程的强度阈值条
件及频率谐振条件；

[0019] 步骤二、调节集成脉冲产生单元中直流稳压电源的输出电压或电流，直至非线性集成微环谐振腔中的自由载流子被完全抑制，发生四波混频过程可产生稳定的锁模激光脉
冲；

[0020] 步骤三、超连续谱产生单元接收中红外波段锁模激光脉冲，并发生级联四波混频、自相位调制等非线性过程，产生中红外宽带超连续谱；

[0021] 步骤四、利用光谱分析单元观测产生的超连续谱波形及带宽，同时轻微调节温控单元的工作温度，实现稳定的超连续谱输出。

[0022] 进一步地，步骤一具体为：

[0023] 步骤1.1、调节窄线宽可调激光器的输出功率，并缓慢增大其中心波长直至略大于非线性集成微环谐振腔的谐振波长，此时可在光谱分析单元中观测到不稳定的锁模激光脉
冲光谱；

[0024] 步骤1.2、保持窄线宽可调激光器的输出功率不变，缓慢减小其中心波长直至等于非线性集成微环谐振腔的谐振波长，此时可在光谱分析单元中观测到稳定的锁模激光脉冲
光谱；

[0025] 进一步地，步骤三具体为：

[0026] 中红外波段锁模激光脉冲经过模场转换器模场转换后输入至非线性集成波导；非线性集成波导接收模场转换后的中红外波段锁模激光脉冲，在自由载流子被抑制条件下，
将自动发生级联四波混频、自相位调制等参量非线性过程，产生中红外波段宽带超连续谱。

[0027] 本发明的优点是：

[0028] 1、系统集成度高，体积小；

[0029] 本发明采用高非线性集成微腔(非线性集成微环谐振腔)与集成波导相结合的方法产生中红外超连续谱，涉及的核心器件集成微腔与集成波导由相同的材料制备，因此完
全兼容、可一体化芯片集成，极大提高了系统集成度、减小了系统体积；突破了传统方法面
临的体积较大、结构复杂、锁模与扩谱材料平台难以兼容等限制；

[0030] 2、中红外超连续谱带宽高；

[0031] 本发明实现的宽带中红外超连续谱，采用微环谐振腔产生的锁模激光脉冲作为种子源以及高非线性集成波导作为超连续谱产生的物理载体，具有种子光谱带宽大、波导色
散灵活可控的优势，光谱覆盖中红外波段2500‑5500nm范围，带宽≥3000nm，带宽比传统方
法提升约一个数量级。

[0032] 3、中红外超连续谱产生效率高；

[0033] 本发明系统阈值功率低，阈值≤10mW，有效提升了超连续谱产生的效率，同时避免了其他方案对高功率泵浦光源与功率放大器的需求，减少了降低了系统功耗与生产成本。

[0034] 相比于传统的外置光纤或固体锁模激光泵浦方案，本发明核心器件为高非线性集成微腔与集成波导，充分发挥了微纳尺寸波导结构的超强光场局限能力和高非线性系数优
势，可在极低功率阈值下产生锁模激光脉冲与宽带超连续谱，普通的低功率泵浦光源即可
满足需求，因此无需高功率泵浦或功率放大器。

[0035] 4、操作过程简便；

[0036] 本发明的超连续谱可在锁模激光脉冲建立后自动产生，无须任何调谐过程，操作过程简便。

[0037] 5、本发明装置结构简单、方便实用、易于封装，稳定性与抗环境干扰能力强，具有广泛的应用价值。

附图说明

[0038] 图1为本发明的装置结构示意图；

[0039] 图2为微环谐振腔产生的锁模激光脉冲时域结果图；

[0040] 图3为集成波导产生的宽带超连续谱光谱结果图；

[0041] 图中附图标记为：1‑窄线宽可调激光器，2‑拉锥透镜光纤，3‑非线性集成微环谐振腔，4‑直流稳压电源，5‑模场转换器，6‑非线性集成波导，7‑半导体制冷器，8‑光谱分析仪。

具体实施方式

[0042] 以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

[0043] 本实施例提供了一种高集成中红外宽带超连续谱产生装置，包括用于提供窄线宽连续泵浦激光的泵浦单元，用于产生中红外波段锁模激光脉冲的集成脉冲产生单元，用于
产生中红外波段宽带超连续谱的超连续谱产生单元，用于控制集成脉冲产生单元与超连续
谱产生单元温度的温控单元，及用于分析测量产生的超连续谱光谱特征的光谱分析单元。

[0044] 如图1所示，本实施例中泵浦单元包括窄线宽可调激光器1和拉锥透镜光纤2，拉锥透镜光纤2的两端分别与窄线宽可调激光器1的输出端及集成脉冲产生单元的输入端连接。
集成脉冲产生单元包括非线性集成微环谐振腔3和直流稳压电源4；其中本实施例中非线性
集成微环谐振腔3为锗材料微腔，其他实施例中也可以采用单晶硅、砷化镓等其他材料的微
腔，只要具备高非线性光学系数即可；非线性集成微环谐振腔3通过其内外圈的环形电极与
直流稳压电源4连接，其内圈环形电极接地(零电压)、外圈环形电极侧接直流稳压电源4的
负极。超连续谱产生单元包括模场转换器5和非线性集成波导6；模场转换器5的输入端口与
非线性集成微环谐振腔3的公共端连接，输出端口与非线性集成波导6连接；非线性集成波
导6采用与非线性集成微环谐振腔3相同的材料。非线性集成微环谐振腔3、模场转换器5与
非线性集成波导6集成在同一芯片上。

[0045] 温控单元为半导体制冷器7，用于控制单片集成的非线性集成微环谐振腔3、模场转换器5、非线性集成波导6的工作温度；其他实施例中也可采用其他形式的温度控制器件，
只要能够实现温度调节即可。光谱分析单元为光谱分析仪8，用于测量分析产生的超连续谱
结果。

[0046] 具体可通过下述过程产生中红外超连续谱：

[0047] 1】、调节窄线宽可调激光器1的输出功率，并缓慢增大其中心波长直至略大于非线性集成微环谐振腔3的谐振波长，此时可在光谱分析仪8观测到不稳定的锁模激光脉冲光
谱；

[0048] 2】、保持窄线宽可调激光器1的输出功率不变，缓慢减小其中心波长直至等于非线性集成微环谐振腔3的谐振波长，此时可在光谱分析仪8观测到稳定的锁模激光脉冲光谱；

[0049] 3】、调节直流稳压电源4的输出电压(或电流)，直至非线性集成微环谐振腔3中的自由载流子被完全抑制，一般为‑15V至‑5V，此时非线性集成波导6中自动发生级联四波混
频、自相位调制等非线性过程，可在光谱分析仪8观测到中红外超连续谱产生；

[0050] 4】、微调半导体制冷器7的工作温度，利用光谱分析仪8观测产生的超连续谱波形及带宽，直至获得带宽最大的超连续谱稳定输出。

[0051] 本发明工作原理是：

[0052] 首先将窄线宽可调激光器1经拉锥透镜光纤2进行模场面积压缩，然后作为泵浦激光耦合注入到非线性集成微环谐振腔3中；通过调节泵浦激光的输出功率与中心波长，使其
强度及频率满足非线性集成微环谐振腔3内显著发生四波混频的强度阈值条件及频率谐振
条件；通过调节直流稳压电源4的输出电压(或电流)对非线性集成微环谐振腔3施加反向偏
压、抑制自由载流子效应，通过腔内四波混频效应可实现锁模激光脉冲产生；锁模激光脉冲
经模场转换器5进行模场匹配后注入到非线性集成波导6中，发生级联四波混频、自相位调
制等非线性过程产生中红外宽带超连续谱；通过微调半导体制冷器7的工作温度并利用光
谱分析仪8测量光谱结果，获得稳定的中红外宽带超连续谱输出。

[0053] 参见图2，非线性集成微环谐振腔产生的锁模激光脉冲时域结果，及图3非线性集成波导产生的宽带超连续谱光谱结果。利用非线性集成微环谐振腔和非线性集成波导结合
的方法可以实现高集成、高效率的中红外超连续谱产生，光谱范围覆盖2500‑5500nm，带宽
≥3000nm。

[0054] 本发明利用具有超强光场束缚能力的非线性集成微环谐振腔与集成波导，可显著降低系统功耗与功率阈值，最低阈值≤10mW；通过控制泵浦激光的输出功率与中心波长等
参数，并利用反向偏压抑制腔内自由载流子效应，能够实现锁模激光脉冲以及宽带超连续
谱的可靠产生，突破传统方法面临系统体积庞大、结构复杂、锁模与扩谱材料平台不兼容等
限制，获得高带宽、低噪声的中红外超连续谱，带宽比传统方法提升一个数量级；而且核心
器件可进行一体化芯片集成，降低了成本并提升了工作稳定性。