搭建簡易(yi)1GHz低噪聲光頻(pin)梳(shu)系統

光(guang)(guang)(guang)學(xue)頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)梳(shu)因其(qi)具有(you)高精度(du)、高靈敏度(du)、高分辨率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)特性(xing)，為光(guang)(guang)(guang)學(xue)原子(zi)(zi)鐘、精密光(guang)(guang)(guang)譜測量(liang)、阿秒(miao)科學(xue)等領域提供了(le)一種可靠的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)波(bo)-微波(bo)轉換工具。飛(fei)(fei)秒(miao)光(guang)(guang)(guang)梳(shu)本質(zhi)上是(shi)(shi)一組特殊的(de)(de)飛(fei)(fei)秒(miao)脈沖光(guang)(guang)(guang)，它在(zai)時域上是(shi)(shi)一系列(lie)時間(jian)寬度(du)在(zai)飛(fei)(fei)秒(miao)級別的(de)(de)超(chao)短脈沖，在(zai)頻域上是(shi)(shi)一系列(lie)間(jian)隔(ge)相等、位(wei)置固定、具有(you)極寬光(guang)(guang)(guang)譜范(fan)圍的(de)(de)單色譜線(xian)。飛(fei)(fei)秒(miao)光(guang)(guang)(guang)梳(shu)實現了(le)其(qi)頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)覆蓋范(fan)圍內所有(you)波(bo)長的(de)(de)直(zhi)接鎖定并溯(su)源至微波(bo)頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)基準(zhun)，建(jian)立起了(le)光(guang)(guang)(guang)波(bo)頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)和微波(bo)頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)直(zhi)接聯系。基于飛(fei)(fei)秒(miao)鎖模激光(guang)(guang)(guang)器，目前一般可以通過鎖定其(qi)重復頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)(frep)和載波(bo)包絡偏(pian)移頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)(fceo)來(lai)使得光(guang)(guang)(guang)梳(shu)梳(shu)齒穩定。雖(sui)然工作頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)接近100 MHz重復頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)頻梳(shu)正在(zai)成為一種成熟(shu)的(de)(de)技術，但重復頻率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)為GHz的(de)(de)梳(shu)子(zi)(zi)仍(reng)然存在(zai)著(zhu)大量(liang)挑戰。

首先，傳統(tong)的(de)(de)激光(guang)(guang)器架(jia)構(gou)(gou)很難構(gou)(gou)建低噪聲且重復(fu)頻(pin)率> 0.5 GHz的(de)(de)諧振(zhen)結構(gou)(gou)。然而近期，Menhir Photonics提出其MENHIR-1550飛秒激光(guang)(guang)器可(ke)以作為飛秒脈沖光(guang)(guang)梳(shu)的(de)(de)穩(wen)定光(guang)(guang)源模(mo)塊。其可(ke)以在100 MHz至5 GHz的(de)(de)重復(fu)頻(pin)率下(xia)產生超低噪聲的(de)(de)鎖模(mo)脈沖，且生成(cheng)的(de)(de)每一根頻(pin)率梳(shu)線功率都大于50 μW。根據(ju)其實驗室(shi)所(suo)提供的(de)(de)資料，利用該激光(guang)(guang)器所(suo)形成(cheng)的(de)(de)光(guang)(guang)梳(shu)可(ke)以做(zuo)到線寬< 20 kHz，信噪比> 70 dbc。

圖1    頻率梳(shu)線示意圖

其次，鎖定fceo的f-2f自參考過程通常要求激光擁有至少1 nJ的脈沖能量(即frep頻率= 1 GHz時，平均功率> 1 W)，這樣才能方便與干涉儀進行高精度對準。而zui近，OCTave Photonics與Vescent Photonics合作，開發了一項新的整合與封裝技術。利用該項技術，光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)為檢測激光頻率梳的載波包絡偏頻提供了一種緊湊的單箱解決方案。COSMO模塊利用納米光子波導技術將光限制在~ 1 μm的模式直徑。借助強烈的非線性光學效應，使得COSMO模塊允許以小于200 pJ (即frep頻率=1 GHz時，平均功率< 200 mW)的脈沖能量精確檢測fceo。zui后，由于1 GHz重復頻率的頻率梳的fceo可以從DC變化至500 MHz，因此為激光提供快速反饋所需的電子設備并非微不足道。新的Vescent Photonics SLICE偏移鎖相(SLICE-OPL)盒提供了一種直接的反饋解決方案，可在高達10 GHz的頻率下反饋穩定fceo。

圖(tu)2 &nbsp;  1 GHz 1550 nm簡(jian)易光頻梳(shu)系統搭建

Menhir Photonics、Octave Photonics和Vescent Photonics的這三種突破性技術結合在一起，便簡單形成了一個1 Ghz低噪聲飛秒激光頻率梳系統。在這個系統中，wan 全穩定的(de)激光(guang)頻率(lv)梳可(ke)以在幾分鐘而不是(shi)幾天內構建出來。各(ge)個光(guang)學模塊間由保偏光(guang)纖(xian)相互連接(jie)，以簡化組(zu)裝難度并減少熱漂移。

我們將放大器輸出連接到COSMO模塊，并調整放大器以提供zui強的fceo信號。在300 kHz分辨率帶寬下，fceo的信噪比約為36 dB，在100 kHz分辨率帶寬下，信噪比約為42 dB(圖3)。這樣的信噪比數據對于fceo所需的精確可靠的鎖定來說綽綽有余。然后，我們將fceo電信號連接到Vescent SLICE-OPL并開始反饋控制，這使得我們能夠將fceo鎖定到任意RF頻率(圖3，右側藍色曲線)。當我們增加反饋的增益時，我們看到fceo的中心變窄，“相干尖峰"出現在中心(圖3，右側橙色曲線)。這表明我們實現了fceo的精確鎖相。在fceo鎖中觀察(cha)到(dao)的(de)環內(nei)剩余相位噪(zao)聲(sheng)如圖4所示，證實了對頻(pin)率低于40 khz的(de)相位噪(zao)聲(sheng)有很(hen)強的(de)抑制作用。

圖3    使用COSMO單元檢測載波包絡偏移頻率fceo峰值

圖4    鎖定fceo的環內相位噪聲

利用Menhir Photonics的MENHIR-1550激光器，Octave Photonics的光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)和Vescent Photonics的SLICE-OPL鎖相反饋模塊，可以輕松構建簡易的超低噪音光學頻率梳系統。這一實驗也表明目前這些模塊化的專業產品能夠以更低的尺寸、重量和功率要求實現zui先jin的性能。上海昊量光電作為國內專業的光電設備代理商，針對光頻梳、微腔光頻梳、fceo測量模塊、鎖相環、高重頻脈沖振蕩器等各類光電(dian)設備都可以提供選型(xing)及各項技術服(fu)務，并且與Menhir Photonics、Octave Photonics保持著長期(qi)穩定合作。對于任何產品有興趣或者有任何問題，都歡(huan)迎通過電(dian)話、電(dian)子郵件或者微(wei)信與我(wo)們聯系。

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