具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例还提供一种平坦光频率梳生成方法，包括以下步骤：

通过锁相双频连续波激光器输出频率可调且相位锁定的双频激光；

对所述输出频率可调且相位锁定的双频激光进行啁啾脉冲压缩；

对压缩后的脉冲进行整形；

通过正常色散、自相位调制和光波分裂效应的联合作用使整形后的脉冲实现时域展宽和频谱包络平坦化。

基于上述方法，本发明实施例提供了一种平坦光频率梳生成装置，旨在获得频率间隔可调谐的宽带相干平坦光频率梳。

实施例

图1为本实施例的一种1550nm波段的基于正常色散平坦铝镓砷光波导的可调谐平坦光频率梳示意图，参照图1，光频率梳产生装置包括顺序连接的锁相双频连续波激光器、正常色散平坦高非线性光纤和标准单模光纤、脉冲整形器和正常色散平坦铝镓砷非线性光波导，其中：

所述锁相双频连续波激光器，用于输出频率可调且相位锁定的双频激光；

所述正常色散平坦高非线性光纤和标准单模光纤，用于对所述输出频率可调且相位锁定的双频激光进行啁啾脉冲压缩，以压窄脉冲和提升脉冲峰值功率，压缩后的脉冲中心部位为近傅里叶变换极限；

所述脉冲整形器，用于对压缩后的脉冲进行整形；

所述正常色散平坦铝镓砷非线性光波导，用于通过正常色散、自相位调制和光波分裂效应的联合作用使整形后的脉冲实现时域展宽和频谱包络平坦化。

本发明采用新的架构和方法，将脉冲光源进行啁啾脉冲压缩，从而实现脉冲压窄和脉冲峰值功率的提升(即脉冲压窄和功率放大)，然后进行脉冲整形，最后通过正常色散、自相位调制和光波分裂效应联合作用实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化，平坦度可提升至2dB以内。

在一种实施例中，所述锁相双频连续波激光器频率间隔为1GHz-1THz连续可调，其在时域上为较宽的光脉冲，用于作为所述光频率梳的种子光源，光脉冲为傅里叶变换极限光脉冲，如图2所示。优选地，当相位锁定的双频激光的频率间隔为100GHz，每个频率激光的功率相同为400mW时，光脉冲宽度T_FWHM约为5ps，相位锁定的双频连续波激光器可以通过半导体量子阱或量子点激光器或微腔双频激光器，逆向设计啁啾摩尔双频激光器，硅基三五族混合集成双频激光器，单边带调制或双边带调制或相位调制滤波注入锁定双波长激光器等方法实现。锁相双频连续波激光器可以有效的减小种子光源的系统结构和体积。

在一种实施例中，所述正常色散平坦高非线性光纤和标准单模光纤，用于对光脉冲进行啁啾脉冲压缩，从而实现脉冲压窄和脉冲峰值功率的提升。压缩后的脉冲在脉冲中心部位为近傅里叶变换极限，可根据锁相双频激光频率间隔的改变对正常色散平坦高非线性光纤和单模光纤所需的长度进行优化。优选地，对于锁相双频激光频率间隔为100GHz，每个频率激光的功率相同为400mW时，其中正常色散平坦高非线性光纤的长度，二阶色散，非线性系数γ，损耗α分别为150m，2ps²/km,10.7W^-1km^-1，0.8dB/km，而标准单模光纤的长度，二阶色散，非线性系数γ，损耗α分别为85m，-20.5ps²/km,1.3W^-1km^-1,0.2dB/km。

在一种实施例中，所述脉冲整形器将压缩后的脉冲经过商用Waveshaper或非线性光环镜NOLM整形为五阶超高斯脉冲或类似形状脉冲。五阶超高斯脉冲的半宽度为0.1ps～5ps，本实施例中五阶超高斯脉冲的半宽度优选地T₀约为1ps。

在一种实施例中，所述正常色散平坦铝镓砷非线性光波导，用于通过正常色散、自相位调制和光波分裂效应联合作用实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化。

具体地，正常色散平坦铝镓砷非线性光波导的非线性系数γ约为100～497W^-1m^-1，所用波导长度达到数厘米或数十厘米长度量级，故正常色散平坦铝镓砷非线性光波导采用基于欧拉弯曲和/或类似弯曲的螺旋线光波导形式实现，可以节省集成光波导芯片面积，同时抑制高阶模式激发。由于石英基高非线性光纤的非线性系数γ为10～20W^-1km^-1，即正常色散平坦铝镓砷光波导的非线性系数比石英基高非线性光纤高五个数量级，可以大大减短所用高非线性光纤(波导)的长度。

经啁啾脉冲压缩后的光脉冲(脉冲峰值功率4W，若锁相双频激光的频率间隔改变，脉冲峰值功率会改变，即若改变频率间隔则需要对脉冲压缩进行优化)在正常色散平坦铝镓砷高非线性光波导中传输一段长度后会发生自相位调制和光波分裂，正常色散平坦铝镓砷光波导中发生的光波分裂效应可看作是四波混频效应。铝镓砷光波导的正常色散保持了光频率梳的相干性，利用正常色散波导中的自相位调制和光波分裂效应进行光频率梳频谱展宽，光波分裂效应对光频率梳的平坦度改善有至关重要的作用，光频率梳频谱包络的平坦度可改善至6dB以内。

通过调节锁相双频连续波激光的频率间隔即可得到频率间隔可连续调谐的宽带相干平坦光频率梳。

锁相双频连续波激光在时域上为较宽的脉冲，经过正常色散平坦高非线性光纤和标准单模光纤进行脉冲压缩，再经过脉冲整形器将脉冲整形为5阶超高斯脉冲或类似脉冲形状，然后通过正常色散平坦铝镓砷非线性光波导，利用正常色散、自相位调制和光波分裂效应联合作用可实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化，脉冲整形可使光频率梳频谱包络的平坦度改善至2dB以内，从而获得频率间隔可调谐的宽带相干平坦光频率梳。

压缩后的脉冲经过脉冲整形之后，通过缓变锥形(AT,Adiabatic taper)波导端面耦合的方法将单模光纤中的基模光大部分无损地耦合进入铝镓砷集成光波导中的准TE基模。

优选地，本实施例的正常色散平坦铝镓砷非线性光波导为多模铝镓砷光波导。这有利于降低铝镓砷集成光波导基模的损耗，同时使准TE基模达到合适的正常色散。目前多模铝镓砷非线性光波导的准横电(TE,Transverse Electric)基模损耗已经降低到40dB/m，通过双层缓变锥形Adiabatic taper波导选取激发多模铝镓砷光波导的准TE基模，能够实现低损耗水平耦合，双层缓变锥形波导一层为铝镓砷波导，另一层为氮化硅波导、氮氧化硅波导、五氧化二钽波导中的一种，耦合损耗可小于1dB。

经过正常色散平坦高非线性光纤和标准单模光纤进行啁啾脉冲压缩之后，光脉冲峰值功率得到了显著提高，再经过脉冲整形器将脉冲整形为5阶超高斯脉冲，最后光脉冲经过正常色散平坦铝镓砷非线性集成光波导。由于基于自相位调制的光频率梳频谱展宽主要和光波导非线性系数γ，脉冲峰值功率P₀，波导有效传输长度L_eff(由波导损耗决定)有关，所述的正常色散平坦铝镓砷高非线性光波导的非线性系数比石英基高非线性光纤高五个数量级，所以可以大大减短所用非线性光波导的长度。

进一步地，多模铝镓砷光波导为矩形结构多模铝镓砷光波导，示意图如图3所示。矩形结构多模铝镓砷光波导可通过调整光波导的宽度和高度获取其它合适大小的平坦正常色散。本实施例中设计的铝镓砷光波导宽度为590nm、高度为230nm的矩形结构多模铝镓砷光波导，为高功率限制因子光波导，铝镓砷光波导四周由二氧化硅材料包围，二氧化硅材料折射率方程如下式(1)所示：

二氧化硅材料在1550nm处的非线性折射率系数根据下式(2)计算：

n₂＝2.2*10^-20m²/W(2)

铝镓砷材料折射率方程如下式(3)所示：

本发明主要基于17％Al含量的Al_0.17Ga_0.83As的波导，其折射率方程为如下式(4)所示：

铝镓砷材料在1550nm处的非线性折射率系数根据下式(5)计算：

n₂＝2.6×10^-17m²/W(5)

经仿真计算得到矩形结构多模铝镓砷光波导的准TE基模在1550nm处的二阶色散β₂为301*10^-3ps²/m，高阶色散β₃为7.85*10^-5ps³/m，高阶色散β₄为3.445*10^-5ps⁴/m，非线性系数γ约为497W^-1m^-1，矩形结构波导准TE基模二阶色散β₂曲线图如图4所示，优选地，该色散曲线还可以通过在铝镓砷集成光波导上方的二氧化硅保护层上镀金属通过加电调控温度进行微调控制。

考虑准TE基模的波导损耗为40dB/m，优选地，经压缩后的光脉冲在正常色散铝镓砷光波导中约传输0.08米长度，采用螺旋线光波导形式实现以节省集成光波导芯片面积，发生自相位调制和光波分裂，实现光频率梳频谱展宽和频谱包络平坦化，压缩后的光脉冲随着传输距离变化输出光频率梳的时域和频域演化图如图5所示。

光波分裂效应对光频率梳频谱包络的平坦度改善有至关重要的作用，光频率梳频谱包络在1480nm-1620nm波段范围的不平坦度在6dB以内。需要指出，在正常色散非线性光波导中由自相位调制和光波分裂共同决定的光频率梳的平坦频谱展宽带宽公式可定义为下式(5)所示：

即平坦频谱展宽带宽主要与能够发生光波分裂的光波导传输长度Z_OWB，光波导非线性系数γ，脉冲峰值功率P₀，光波导的准TE基模的二阶色散β₂有关。而能够发生光波分裂的光波导传输长度Z_OWB与脉冲宽度T_FWHM，光波导非线性系数γ，脉冲峰值功率P₀，光波导的准TE基模的二阶色散β₂有关，它们之间的关系可定义为下式(6)所示：

若想获得频谱较宽且频谱包络较为平坦的光频率梳，β₂的值需要设置在合理区间，高阶色散β₃和β₄的值对光频率梳频谱包络平坦度也有一定的影响本实施例中矩形结构铝镓砷波导参数已经经过优化，选取了合理的β₂，也基本消除了β₃和β₄的影响。

需要指出的是最终输出的光频率梳从时域上看，光脉冲是非傅里叶变换极限的，光脉冲在脉冲中心部位带有准线性啁啾，图6是未经过脉冲整形输出光频率梳的时域及脉冲啁啾图；图7是未经过脉冲整形输出光频率梳的频谱图。优选地，该光频率梳系统还可以包括脉冲压缩单元，所述的脉冲压缩单元级联在所述的正常色散平坦铝镓砷非线性光波导后，用于利用宽带光频率梳获得近傅里叶变换极限的超窄脉冲。

利用脉冲整形器将脉冲整形为5阶超高斯脉冲或类似脉冲形状，可使光频率梳频谱包络的平坦度在1475nm-1625nm波段范围进一步改善至2dB以内,如图8所示。

当正常色散平坦铝镓砷非线性光波导采用基于欧拉弯曲和/或类似弯曲的微环谐振腔和直通臂耦合的形式时，双频激光在微环谐振腔中经过多次循环传输，能够高效的产生光频率梳。功率分别为25mW，频率间隔为100GHz的锁相双频激光，在损耗为40dB/m，FSR为100GHz的正常色散平坦铝镓砷微环谐振腔中多次循环传输产生的光频率梳平坦度约为10dB，可实现带宽220nm的高效光频率梳产生。光频率梳对应典型的微环腔内脉冲时域及频谱包络图如图9所示。可通过优化微环谐振腔结构及损耗、色散或者再次脉冲整形实现光频率梳平坦度进一步提升。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际光频率梳产生系统的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

综上所述，本发明实施例光频率梳产生系统，主要在1550nm波段，实现频率间隔可连续调谐的宽带相干平坦光频梳，有益于超高速相干光通信、微波光子学等领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，比如选取其它合理长度和正常色散并且具有较高的三阶非线性的材料作为光波导或者光纤，如富硅氮化硅光波导，氮化硅光波导，AlN光波导，TeO₂碲酸盐类光波导，Ta₂O₅光波导，LiNbO₃光波导，LiTaO₃光波导，GaP光波导，GaN光波导，SiC光波导，As₂S₃，GeAsSe，GeSbS,GeSbSe,AsSe类硫系光波导等高非线性集成光波导或光纤，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。