本發明屬于集成光學領域、非線性光學領域以及頻率計量，具體涉及一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率檢測器及自拍頻檢測方法。

背景技術：

1、光學頻率梳(ofc)的載波包絡偏移頻率(fceo)檢測和鎖定對于高精度頻率測量來說至關重要，頻率計量學、光學時鐘和光譜學等應用都依賴于鎖模激光器的fceo穩定。ofc可以從電學或光學參考合成105-106個諧波相關光學模式，保真度大于1/1018，更重要的是，ofc實現了光頻率與微波頻率的直接轉換。利用超短脈沖極高的峰值功率來激發非線性效應，ofc能夠在包括紅外、可見光和極紫外在內的廣泛光譜區域內進行合成。脈沖的載波相位由偏移頻率fceo控制，并實現精細的光學頻率調諧。因此，如何簡化fceo的檢測在光學頻率梳的研究和應用中是非常必要的。

2、目前，通常使用基于f-2f自參考的方法來檢測光學頻率梳的fceo，這需要同時依賴于非線性介質(例如光子晶體光纖、非線性波導等)中跨倍頻程的超連續譜產生(scg)和倍頻晶體產生的shg，最后合束后進行拍頻。這種設計方案，不僅增加了系統結構的復雜性，還會增加器件的尺寸與成本，另外，該方法需要額外的空間光對準以及需要額外的時延系統，操作復雜的一系列空間光路降低了系統的拍頻效率，造成拍頻信號信噪比較低而難以進行鎖定和應用。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本發明提出了一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率檢測器及自拍頻檢測方法。

2、本發明采用的技術方案為：一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率檢測器，包括：端口1，超連續譜scg產生區域2，長周期波導光柵lpwg?3，單模直波導4，輸出直波導5，耦合直波導6，調諧電極7。

3、其中，所述端口1為超短脈沖輸入端，超連續譜scg產生區域2為拋物線型漸變寬度的波導區域，長周期波導光柵lpwg?3為多模側壁型，單模直波導4為矩形波導。

4、本發明還提供了適用于上述檢測器的一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率自拍頻檢測方法，具體步驟如下：

5、s1、入射飛秒脈沖光經端口1進入超連續譜scg產生區域2，通過非線性效應產生跨倍頻程的超連續譜scg；

6、s2、基于步驟s1產生的scg經過長周期波導光柵lpwg?3，將scg中的以入射飛秒脈沖光的二倍頻光為中心的光和短波色散波混頻的部分耦合進入單模直波導4中；

7、其中，入射飛秒脈沖光經長周期波導光柵lpwg?3產生色散波與二倍頻光有效重疊的超連續譜；scg經過lpwg耦合區域之后將剩余部分通過輸出直波導5輸出。

8、s3、基于步驟s1產生的scg和以步驟s2中耦合至單模直波導4中的入射飛秒脈沖光的二倍頻光為中心的一定帶寬范圍的輸出譜，直接檢測從耦合直波導6輸出的光，通過微調調諧電極7，可直接檢測出載波包絡偏移頻率fceo。

9、進一步地，所述步驟s1具體如下：

10、入射飛秒脈沖光從波導端口1進入，經過超連續譜scg產生區域2后，用廣義非線性薛定諤方程gnlse表示，表達式如下：

11、

12、其中，z表示超連續譜scg產生區域2的波導長度，a(z,t)表示慢變脈沖包絡，α表示損耗系數，β(m)表示波導的各階色散，γ表示非線性系數，a表示脈沖振幅，|a|2表示光功率，ω0表示中心頻率，tr表示非線性響應函數的一階矩。等式右邊表示各種線性和非線性效應對脈沖在非線性介質中演化的影響，表示損耗的作用，表示高階色散的作用，iγ|a|2a表示自相位調制的作用，iγ表示自變陡效應的作用，表示脈沖內拉曼散射的作用。

13、然后使用分步傅里葉法求解gnlse方程，將gnlse方程簡寫，表達式如下：

14、

15、其中，表示線性算子，表示非線性算子，得到脈沖在光場中經過h距離后的近似結果a(z+h,t)，表達式如下：

16、

17、進一步地，所述步驟s2具體如下：

18、步驟s1中scg產生的二倍頻光與以λ/2為中心的色散波直接進行f-2f自參考拍頻獲得光學頻率梳的fceo，表達式如下：

19、fceo＝2·νn-ν2n＝2·(nfrep+fceo)-(2n·frep+fceo)

20、其中，νn表示中心波長λ處的頻率，ν2n表示λ/2處的頻率，n表示模式數，frep表示光學頻率梳的重復頻率。

21、入射脈沖光在長周期波導光柵lpwg?3中經過一定長度為l的耦合區域，lpwg與直波導的輸出振幅分別為a(l)與b(l)，表達式如下：

22、

23、其中，*表示共軛，表示與lpwg有關的常數，δβ表示相位失配量，λ表示介質微擾周期，κ表示耦合系數，εm(x,y)表示周期性微擾的第m個傅里葉分量，a(0)和b(0)分別表示在l＝0處模式的振幅。當光僅從端口1輸入時，即b(0)＝0，兩個輸出端輸出直波導5和耦合直波導6振幅表達式分別如下：

24、

25、當相位不匹配時，兩個模式之間的最大耦合效率為滿足相位匹配時，即δβ＝0時，可獲得最大耦合效率100％。

26、其中，λ0＝λ/2表示滿足相位匹配的中心波長，λ表示滿足相位匹配的光柵周期。

27、當耦合長度波長為λ0，δβ＝1.6|κ|時，濾波的半高全寬fwhm為δλ，耦合系數越小，模式有效折射率差越大則濾波帶寬越窄。

28、進一步地，所述步驟s3具體如下：

29、基于步驟s2，經過長度為z的波導后，使用分步傅里葉法求解gnlse方程獲得超連續譜，再經過長度為l的耦合區域，濾出以λ/2為中心的帶寬為δλ的光，使用頻譜儀接收從端口耦合直波導6的輸出光直接測得fceo。

30、本發明的有益效果：本發明所述檢測器包括：超短脈沖端口，超連續譜scg產生區域，長周期波導光柵lpwg，單模直波導，輸出直波導，耦合直波導，調諧電極。本發明高度集成化，只需要一個集成波導芯片就可以完成拍頻，解決了現有檢測方法成本昂貴、系統復雜以及拍頻系統的操作困難的問題，受益于單片芯片同時產生跨倍頻程超連續譜，以及二倍頻光，不再需要額外倍頻晶體，以及受益于lpwg本身工作帶寬會限制濾波效果，本發明將不再需要外置濾波元件，本發明的成功研發，將在高精度頻率測量、光原子鐘、穩定可靠的片上光頻梳研發等方面具備廣闊的應用背景，具有重要的科學意義和深遠的現實意義。

技術特征：

1.一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率檢測器，包括：端口(1)，超連續譜scg產生區域(2)，長周期波導光柵lpwg(3)，單模直波導(4)，輸出直波導(5)，耦合直波導(6)，調諧電極(7)；

2.適用于所述檢測器的一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率自拍頻檢測方法，具體步驟如下：

3.根據權利要求2所述的一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率自拍頻檢測方法，其特征在于，所述步驟s1具體如下：

4.根據權利要求2所述的一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率自拍頻檢測方法，其特征在于，所述步驟s2具體如下：

5.根據權利要求2所述的一種基于lpwg的片上載波包絡偏移頻率自拍頻檢測方法，其特征在于，所述步驟s3具體如下：

技術總結
本發明公開了一種基于LPWG的片上載波包絡偏移頻率檢測器及自拍頻檢測方法，所述檢測器包括：超短脈沖端口，超連續譜SCG產生區域，長周期波導光柵LPWG，單模直波導，輸出直波導，耦合直波導，調諧電極。本發明高度集成化，只需要一個集成波導芯片就可以完成拍頻，解決了現有檢測方法成本昂貴、系統復雜以及拍頻系統的操作困難的問題，受益于單片芯片同時產生跨倍頻程超連續譜，以及二倍頻光，不再需要額外倍頻晶體，以及受益于LPWG本身工作帶寬會限制濾波效果，本發明將不再需要外置濾波元件，本發明的成功研發，將在高精度頻率測量、光原子鐘、穩定可靠的片上光頻梳研發等方面具備廣闊的應用背景，具有重要的科學意義和深遠的現實意義。

技術研發人員：王玲芳,湯天佑
受保護的技術使用者：電子科技大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28