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如何搭建簡易1GHz低噪聲光頻梳系統

介紹

利用OCTave Photonics光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)來檢測Menhir Photonics 1550 nm 1GHz飛秒激光器的載波包膜偏移頻率(fceo)，可以在激光脈沖能量小于140 pJ(平均功率<140 mW)的情況下實現對fceo的精確控制，信噪比>35dB，以更低的尺寸、重量和功率要求實現了zui先jin的性能,該系統可以作為一種簡單的1 GHz的超低噪聲光學頻率梳解決方案。

正文

光頻梳就是利用鎖模激光產生超短光脈沖，特色是相鄰脈沖波時間間隔一模一樣。光頻梳就像是一把擁有精密刻度的尺或定時器，只不過一般的儀器以毫米、毫秒為單位，而光頻梳在長度的測量上精確勝過納米，時間則勝過飛秒、甚至達到阿秒。

光學頻率梳因其具有高精度、高靈敏度、高分辨率的特性，為光學原子鐘、精密光譜測量、阿秒科學等領域提供了一種可靠的光波-微波轉換工具。飛秒光梳本質上是一組特殊的飛秒脈沖光，它在時域上是一系列時間寬度在飛秒級別的超短脈沖，在頻域上是一系列間隔相等、位置固定、具有極寬光譜范圍的單色譜線。飛秒光梳實現了其頻率覆蓋范圍內所有波長的直接鎖定并溯源至微波頻率基準，建立起了光波頻率和微波頻率的直接聯系。基于飛秒鎖模激光器，目前一般可以通過鎖定其重復頻率(frep)和載波包絡偏移頻率(fceo)來使得光梳梳齒穩定。雖然工作頻率接近100 MHz重復頻率的光頻梳正在成為一種成熟的技術，但重復頻率為GHz的梳子仍然存在著大量挑戰。

首先，傳統的激光器架構很難構建低噪聲且重復頻率> 0.5 GHz的諧振結構。然而近期，Menhir Photonics提出其MENHIR-1550飛秒激光器可以作為飛秒脈沖光梳的穩定光源模塊。其可以在100 MHz至5 GHz的重復頻率下產生超低噪聲的鎖模脈沖，且生成的每一根頻率梳線功率都大于50 μW。根據其實驗室所提供的資料，利用該激光器所形成的光梳可以做到線寬< 20 kHz，信噪比> 70 dbc。

圖1    頻率梳線示意圖

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2    1 GHz 1550 nm簡易光頻梳系統搭建

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，穩定的激光頻率梳可以在幾分鐘而不是幾天內構建出來。各個光學模塊間由保偏光纖相互連接，以簡化組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鎖中觀察到的環內剩余相位噪聲如圖4所示，證實了對頻率低于40 khz的相位噪聲有很強的抑制作用。

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設備都可以提供選型及各項技術服務，并且與Menhir Photonics、Octave Photonics保持著長期穩定合作。

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