1GHz低噪声光频梳的简易偏频锁定系统

介绍

利用OCTave Photonics光频梳偏频锁定模块(COSMO)来检测Menhir Photonics 1550 nm 1GHz飞秒激光器的载波包膜偏移频率(fceo)，可以在激光脉冲能量小于140 pJ(平均功率<140 mW)的情况下实现对fceo的精确控制，信噪比>35dB，以更低的尺寸、重量和功率要求实现了zui先jin的性能,该系统可以作为一种简单的1 GHz的超低噪声光学频率梳解决方案。

正文

光学频率梳因其具有高精度、高灵敏度、高分辨率的特性，为光学原子钟、精密光谱测量、阿秒科学等领域提供了一种可靠的光波-微波转换工具。飞秒光梳本质上是一组特殊的飞秒脉冲光，它在时域上是一系列时间宽度在飞秒级别的超短脉冲，在频域上是一系列间隔相等、位置固定、具有极宽光谱范围的单色谱线。飞秒光梳实现了其频率覆盖范围内所有波长的直接锁定并溯源至微波频率基准，建立起了光波频率和微波频率的直接联系。基于飞秒锁模激光器，目前一般可以通过锁定其重复频率(frep)和载波包络偏移频率(fceo)来使得光梳梳齿稳定。frep主要由谐振腔的几何腔长L与介质折射率n决定，使用外加电压调控压电陶瓷制动器(PZT)的方法就可以实现对frep的锁定。相比之下，锁定fceo则更为困难，常见的方法是通过f-2f自参考过程，生成超连续谱将光谱展宽至至少一个倍频程，然后将低频倍频后与高频拍频测得fceo后接入锁相环反馈器件进行锁定。虽然工作频率接近100 MHz重复频率的光频梳正在成为一种成熟的技术，但重复频率为GHz的梳子仍然存在着大量挑战。

首先，传统的激光器架构很难构建低噪声且重复频率>0.5 GHz的谐振结构，而MENHIR-1550飞秒激光器是一种在100 MHz至5 GHz的重复频率下产生超低噪声锁模脉冲的稳定光源模块系统。其次，f-2f自参考过程通常要求激光拥有至少1 nJ的脉冲能量(即frep频率=1 GHz时，平均功率>1 W)，这样才能方便与干涉仪进行高精度对准。而zui近，Octave Photonics与Vescent Photonics合作，开发了一项新的整合与封装技术。利用该项技术，光频梳偏频锁定模块(COSMO)为检测激光频率梳的载波包络偏频提供了一种紧凑的单箱解决方案。COSMO模块利用纳米光子波导技术将光限制在~1 μm的模式直径。借助强烈的非线性光学效应，使得COSMO模块允许以小于200 pJ (即frep频率=1 GHz时，平均功率<200 mW)的脉冲能量精确检测fceo。zui后，由于1 GHz重复频率的频率梳的fceo可以从DC变化至500 MHz，因此为激光提供快速反馈所需的电子设备并非微不足道。新的Vescent Photonics SLICE偏移锁相(SLICE-OPL)盒提供了一种直接的反馈解决方案，可在高达10 GHz的频率下反馈稳定fceo。

图1    1 GHz 1550 nm飞秒激光器载波包络偏频稳定实验装置

Menhir Photonics、Octave Photonics和Vescent Photonics的这三种突破性技术结合在一起，便简单形成了一个1 Ghz低噪声飞秒激光频率梳系统。在这个系统中，稳定的激光频率梳可以在几分钟而不是几天内构建出来。各个光学模块间由保偏光纤相互连接，以简化组装难度并减少热漂移。MENHIR-1550飞秒激光器的输出首先通过一条90厘米长的色散补偿光纤以补偿系统中其他组件的色散。然后，1 GHz脉冲序列通过光学放大器进行放大并进入COSMO模块。COSMO模块包含超连续谱产生波导、二次谐波产生材料以及一个光电探测器。经过f-2f自拍频过程后，来自光电探测器的电信号通过一个以~380 MHz为中心频率的可调谐带通滤波器来选择fceo，然后用一个额外的RF放大器进行放大。该信号连接到Vescent SLICE-OPL，该模块为MENHIR-1550的泵浦电流提供反馈，以实现fceo稳定。使用射频频谱分析仪可以清晰记录fceo频谱和噪声频谱。在整个系统中，由于COSMO模块的优xiu性能，放大器泵浦电流提供140 mW (140 pJ)即可优化fceo信号。

在偏频锁定COSMO模块内部，光信号产生了超连续谱。超连续光谱显示在780 nm附近有一个峰，而1560 nm附近的光频率加倍，也会影响780 nm的光。为了在实验上说明这个概念，我们将一个封装的超连续谱产生装置连接到放大器的输出端。图2显示了放大器的窄带频谱是如何转换为脉冲能量高约140 pJ的超宽超连续谱。

图2    COSMO模块产生的超连续统

接下来，我们将放大器输出连接到COSMO模块，并调整放大器以提供zui强的fceo信号。正如预期的那样，信号优化到约140 pJ时，在300 kHz分辨率带宽下，fceo的信噪比约为36 dB，在100 kHz分辨率带宽下，信噪比约为42 dB(图3)。这样的信噪比数据对于fceo所需的精确可靠的锁定来说绰绰有余。然后，我们将fceo电信号连接到Vescent SLICE-OPL并开始反馈控制，这使得我们能够将fceo锁定到任意RF频率(图3，右侧蓝色曲线)。当我们增加反馈的增益时，我们看到fceo的中心变窄，“相干尖峰”出现在中心(图3，右侧橙色曲线)。这表明我们实现了fceo的精确锁相。在fceo锁中观察到的环内剩余相位噪声如图4所示，证实了对频率低于40 khz的相位噪声有很强的抑制作用。

图3    使用COSMO单元检测载波包络偏移频率fceo峰值

图4    锁定fceo的环内相位噪声

利用Menhir Photonics的MENHIR-1550激光器，Octave Photonics的光频梳偏频锁定模块(COSMO)和Vescent Photonics的SLICE-OPL锁相反馈模块，可以轻松构建载波包络偏频稳定的飞秒激光系统,表明了目前能够以更低的尺寸、重量和功率要求实现zui先jin的性能,该系统可以作为1 GHz的超低噪声光学频率梳。

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