克尔微腔光频梳理论分析模型及多波长光源应用探讨

基于高品质因子微谐振腔的参量四波混频实现光学频率梳是一种新的频率梳实现方法,拓展了传统固体及非线性光纤飞秒激光器等光频梳的应用范围,在精密频率标定、天文光谱校准、任意波形产生、光学存储和孤子传输、片上通信用光源等方面具有较高的优势。本文简要总结、评述了几种主要的光频梳动力学分析模型及数值方法,以及这些不同方法的内在联系。基于描述光频梳动态行为的非线性Lugiato-Lefever方程分析了可能存在的动力学过程,并据此对不同特点光频梳进行了分类。通过设计反馈结构理论上研究了正常色散微腔和反常色散微腔的光梳特点,探讨了作为片上光互连用多波长光源应满足的条件及可能的实现途径。     

基于超高Q值氟化镁晶体微腔的克尔光频梳产生研究

克尔光频梳具有等距分布的梳状光谱结构,在精密测量、光钟、相干光通信、微波和光学任意波产生、光谱学及天文光谱仪校准等方面有着重要的应用。首先,微腔光频梳与其他光频梳系统相比,具有集成性高、体积小、功耗低的优势,大大扩展了光频梳的应用;其次,通过超精密加工方法制备了品质因子Q值达到了4.8×107的氟化镁微腔,并且得到了干净规律、排列规则的谐振谱,自由频率范围为9.73 GHz,为产生低重复频率光频梳提供了条件;最后,根据实验结果结合Lugiato-Lefever方程分析了氟化镁微腔光频梳的产生过程,研究了泵浦功率对光频梳的影响,通过调整失谐参数得到了孤子态光频梳。并且通过色散调控优化了微腔的光场模式,为产生具有超光滑光谱的孤子光频梳创造了先决条件,提升了光频梳性能。     

基于回音壁微腔的可见光波段光频梳研究进展（特邀）

基于光学微腔的光频梳具有阈值低、光谱宽及结构紧凑等特点,在精密测量与传感等领域具有重要的应用前景,因此近年来微腔光频梳成为国际研究热点。目前相关的研究都聚焦于红外波段锁模光频梳的产生原理和应用探索,虽然可见光波段的光频梳在精密光谱、原子钟及生物医学等领域有特殊应用价值,但是可见光频梳的实现极具挑战性。文中在简要阐述光频梳产生原理的基础上,介绍了在可见光波段实现光频梳的主要挑战,以及目前三种实现方案的研究进展,包括利用材料的二阶与三阶非线性效应、调节微腔的几何色散和模式强耦合效应调控色散来产生可见光频梳。     

基于宽禁带氮化物的微腔光频梳进展（特邀）

微腔光频梳在光谱测量、微波光子学、光学原子钟和相干光通信等领域具有重要的应用。宽禁带氮化物半导体材料,如氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）等属于非中心对称晶体,具有二阶和三阶光学非线性系数,宽带的透明窗口以及与蓝宝石衬底较高的折射率差,使其成为研究非线性光子器件的理想平台。文中介绍了氮化物微腔的特性,同时对基于氮化物微腔光梳的相关研究进展,包括AlN微腔中的宽谱光频梳产生和光学参量振荡、GaN微腔中的孤子光频梳产生等进行了介绍和展望。     

高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子（Q值）和非线性光学微腔产生的光学频率梳（微腔光频梳）在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式（WGM）微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度（Finesse）,能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳（CO₂）激光器熔融氧化硅（SiO₂）石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围（FSR）在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO₂微腔中验证了基于非线性克尔（Kerr）效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO₂微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。     

基于高效棱镜耦合的氟化镁微腔孤子光频梳产生

微腔孤子光频梳在相干光通信、光学频率合成、激光雷达、微波光子学和量子光学等领域有着广阔的应用前景,高效棱镜耦合是晶体微腔孤子光频梳集成应用及系统封装的必然技术途径。文章研制开发了一种耦合效率和有载Q值分别达到71.56%和1.8×10⁹的氟化镁微腔-棱镜耦合系统,并且基于该高效棱镜耦合系统实现了氟化镁微腔孤子光频梳和15.99 GHz低相噪微波信号产生,拍频信号相位噪声水平约为-117 dBc/Hz@10 kHz,极大推动了低相噪微型光电振荡器的实际应用发展。     

基于集成光频梳的新型微波光子应用 （特邀）

基于光学微腔的集成光频梳具有光谱宽、谱线间隔大、体积小等优势,为微波光子系统带来了新的发展机遇。近年来涌现了多种基于微腔光梳的微波光子应用,包括高质量微波信号产生、微波光子信号处理、真延时微波波束形成等,具有相位噪声低、可重构能力强、奈奎斯特带宽大等优异性能,展现了集成微腔光梳在微波光子领域的广阔应用前景。     

片上集成克尔光频梳的波分复用光纤通信技术综述（特邀）

为了应对在传输容量、光谱利用率、能量效率、体积和系统复杂度方面日益增长的需求,波分复用(WDM)光纤通信系统需要比目前使用的传统激光模块更先进的激光源。由集成片上微腔产生的克尔光频梳是下一代波分复用激光源中的一个十分具有前途的方案,其优势包括宽光谱、大量的梳齿、与波分复用信道相匹配的频率间隔、高度稳定的频率、低的相位噪声、与芯片集成的兼容性以及能够低成本地批量生产。回顾了克尔光频梳的基本原理,并介绍了各种克尔光频梳器件的制造方法。此外,还讨论了克尔光频梳的特点,如高光谱纯度和能够兼容芯片集成以及其能在长距离相干传输和数据中心互连中推动波分复用光通信发展。     

相干泵浦微腔光孤子基础与双光梳应用（特邀）

光学孤子是指一种通过非线性折射率势阱维持脉冲形状不变的光波,它广泛存在于光纤、飞秒激光器、参量振荡器等系统中。近年来,人们在相干泵浦下的高Q值微腔中也观测到了光孤子,这为研究光孤子性质提供了新的实验平台。又因为微腔光孤子在频域上对应高重频的光学频率梳,微腔光孤子的诞生也极大地推动了小型化光学频率梳的发展。微腔光孤子频率梳已经可以实现自参考锁定;这使得片上集成的光频合成器、光原子钟、波分复用光源、微腔光谱仪、微腔激光雷达等众多应用成为了可能。文中介绍了微腔光孤子的产生基础,特别是光孤子相互作用相关的研究,还讨论了基于微腔的双光梳测量在高速成像与中红外气体光谱分析上的应用。     

氮化硅集成微腔光频梳器件关键制备技术(特邀)

微腔光频梳,又称微腔梳,是通过腔内四波混频过程产生的一种高相干宽谱的集成光源,有着优异的时频特性,可用于超精密分子光谱、相干通信、激光雷达、轻型化装备等测量应用,是基础科学、计量学及军事装备的重要工具,是一项颠覆性的技术。报道了一种集成氮化硅（Si₃N₄）微腔光频梳器件制备的关键技术,提出了一种方法平衡Si₃N₄的应力、厚度和化学计量之间的矛盾,以满足反常色散和减少双光子吸收的要求。利用这种改进的大马士革工艺微结构降低Si₃N₄厚膜的应力,减少应力缺陷对器件性能的影响,实现高品质Si₃N₄薄膜的可控制备。在微腔刻蚀工艺中,采用30 nm氧化铝牺牲层补偿掩模抗刻蚀能力,实现微环和波导侧壁粗糙度小于15 nm,满足了微腔高Q值的要求。经双光泵浦测量得到1 480~1 640 nm波段内的宽光谱高相干克尔光频梳。     

Multiple wavelength generation with Brillouin/erbium fiber lasers

Brillouin/erbium fiber lasers, which have recently been demonstrated, operate with a combination of Brillouin gain and gain in erbium-doped fiber. In this letter, we describe techniques for cascading the Brillouin/erbium fiber laser to generate optical combs, and experimentally demonstrate optical comb generation. Internal and external cascading techniques are demonstrated. The line spacing in the combs is approximately 10 GHz, with operation in the 1550-nm region.     

基于模式选择耦合器的柱矢量光脉冲光纤激光器

柱矢量光具有轴对称的偏振及强度分布特点,强聚焦条件下会形成一个独特且较强的局部纵向电场,在工业加工、材料处理、粒子操控、显微成像等领域具有独特的应用优势。模式选择耦合器是实现全光纤模式转换的关键器件,具有结构简单、体积小、高转换效率、高模式纯度和优良光纤兼容性等优点,是目前最有希望获得稳定可靠柱矢量全光纤激光输出的一套技术方案。本文基于模式选择耦合器搭建柱矢量窄线宽全光纤激光器获得了高模式纯度、高稳定性的LP11模输出。     

Frequency Uncertainty for Optically Referenced Femtosecond Laser Frequency Combs

We present measurements and analysis of the currently known relative frequency uncertainty of femtosecond laser frequency combs (FLFCs) based on Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire lasers. Broadband frequency combs generated directly from the laser oscillator, as well as octave-spanning combs generated with nonlinear optical fiber are compared. The relative frequency uncertainty introduced by an optically referenced FLFC is measured for both its optical and microwave outputs. We find that the relative frequency uncertainty of the optical and microwave outputs of the FLFC can be as low as 8times10^-20 and 1.7times10^-18, with a confidence level of 95%, respectively. Photo-detection of the optical pulse train introduces a small amount of excess noise, which degrades the stability and subsequent relative frequency uncertainty limit of the microwave output to 2.6times10^-17     

聚合物光纤光栅制备进展

聚合物光纤光栅不仅具有体积小、质量轻、柔软、成本低等诸多优点，还因聚合物自身的特性而具有灵敏度高、响应范围宽、生物兼容性等优良特性。首先梳理了聚合物光纤的光敏性机理，概述了聚合物光纤光栅制备的刻蚀光源和方法；其次根据聚合物光纤的组成材料，概述了多种聚合物光纤光栅的制备进展和性能指标，包括聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物TOPAS、透明无定物氟聚合物CYTOP和聚碳酸酯。总之，目前聚甲基丙烯酸甲酯聚合物光纤光栅的研究占主导，而基于新型材料的聚合物光纤光栅因自身独特的优势也逐渐受到重视。     

Fast Characterization of Dispersion and Dispersion Slope of Optical Fiber Links Using Spectral Interferometry With Frequency Combs

We demonstrate fast characterization ( $sim$1.4 $mu hbox{s}$) of both the dispersion and dispersion slope of long optical fiber links ( $sim$25 km) using dual quadrature spectral interferometry with an optical frequency comb. Compared to previous spectral interferometry experiments limited to fiber lengths of meters, the long coherence length and the periodic delay properties of frequency combs, coupled with fast data acquisition, enable spectral interferometric characterization of fibers longer by several orders of magnitude. We expect that our method will be useful to recently proposed lightwave techniques like coherent wavelength-division multiplexing and to coherent modulation formats by providing a real-time monitoring capability for the link dispersion. Another area of application would be in stabilization of systems which perform frequency and timing distribution over long fiber links using stabilized optical frequency combs.      

提高聚合物光纤传输容量的研究

介绍了一种提高聚合物光纤传输容量的方法,即利用模群差分复用的技术.列出了聚合物光纤在用户驻地网中通信中的独特优势,而且给出了聚合物光纤在家庭智能网络中的一个典型应用实例.     

星载单光子激光雷达浅水测深技术研究进展和展望

在浅水测深技术中,星载激光测量系统可以覆盖一些机载/舰载系统难以到达的偏远水域,具有比被动光学影像水深测量精度更高、可全天时工作等独特的优势。以稀疏而少量的主动星载激光测量值为水深标定点,融合被动星载遥感影像,主被动融合的浅水测深是当前的趋势。本文首先介绍了星载单光子激光雷达的工作范围、物理参数和数据产品,概述了测量原理,综述了现有的星载单光子激光雷达测深的理论传输模型,对比了不同的点云数据去噪处理算法的优劣,归纳了星载融合测深反演技术在不同环境中的应用,总结了当前存在的问题,并对该技术未来的前景和发展方向进行了展望。     

集成微腔光频梳在精密测量中的应用（特邀）

精密测量是现代物理学的基石,而激光光源的发展直接推动了测量科学与技术的进步。21世纪初,光学频率梳的发明促使人们成功实现最精准的时间/频率标准装置——光学原子钟,推动了绝对光学频率测量、基本物理常数测量、精密距离测量以及分子光谱测量等精密测量技术的发展。然而早期的光梳光源系统复杂、价格昂贵,一般工作于大型实验室里,限制了其应用场景的拓展。近年来,出现了一种新型集成微腔光频梳,其具有体积小、功耗低、可批量制备等优势,吸引了科学界和产业界的广泛关注。不同于传统光梳,这种集成微腔光梳不需要依赖增益介质或可饱和吸收体实现锁模,而是通过高品质因子微腔增强的非线性作用来实现光梳的激发与锁模。这种全新的光梳激发与锁模机制降低了精密光源的体积和成本,在平民化精密测量应用中具有优势。文中介绍了集成微腔光梳在精密测量领域中取得的进展,主要围绕微型化光学原子钟、超快精密距离测量、精密光谱测量三个方向。最后对集成微腔光梳在未来精密测量应用中的机遇与挑战进行了总结与展望。     

高功率光纤激光器及其在战术激光武器中的应用

作为目前世界上最先进的固体激光器——光纤激光器具有无以伦比的独特优势,它已广泛应用于战术激光武器。本文评述和分析了高功率光纤激光器的特点、最新进展,光束合成技术和光学相控阵,以及它们在战术激光武器中的应用。Abstract：     

一种双通道光纤光栅温度检测系统的研究

光纤光栅以其独特的优点,在温度测量中得到了越来越广泛的应用.在用分布式光纤光栅阵列进行测温时,由于受到传感光栅之间的缓冲区和探测范围的限制,使得测温点数有限.文章提出了基于光强的双通道分布式光纤光栅温度检测系统,在未改变缓冲区和探测范围的前提下,扩展了测温点数.