1GHz低噪聲光頻梳的簡易偏頻鎖定系統(tǒng)工作原理

1GHz低噪聲光頻梳的簡易偏頻鎖定系統(tǒng)

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(f_ceo)，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(xiàn)對f_ceo的精確控制，信噪比>35dB，以更低的尺寸、重量和功率要求實現(xiàn)了最先進(jìn)的性能,該系統(tǒng)可以作為一種簡單的1 GHz的超低噪聲光學(xué)頻率梳解決方案。
 
正文
光學(xué)頻率梳因其具有高精度、高靈敏度、高分辨率的特性，為光學(xué)原子鐘、精密光譜測量、阿秒科學(xué)等領(lǐng)域提供了一種可靠的光波-微波轉(zhuǎn)換工具。飛秒光梳本質(zhì)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(xiàn)了其頻率覆蓋范圍內(nèi)所有波長的直接鎖定并溯源至微波頻率基準(zhǔn)，建立起了光波頻率和微波頻率的直接聯(lián)系�；�于飛秒鎖模激光器，目前一般可以通過鎖定其重復(fù)頻率(f_rep)和載波包絡(luò)偏移頻率(f_ceo)來使得光梳梳齒穩(wěn)定。f_rep主要由諧振腔的幾何腔長L與介質(zhì)折射率n決定，使用外加電壓調(diào)控壓電陶瓷制動器(PZT)的方法就可以實現(xiàn)對f_rep的鎖定。相比之下，鎖定f_ceo則更為困難，常見的方法是通過f-2f自參考過程，生成超連續(xù)譜將光譜展寬至至少一個倍頻程，然后將低頻倍頻后與高頻拍頻測得f_ceo后接入鎖相環(huán)反饋器件進(jìn)行鎖定。雖然工作頻率接近100 MHz重復(fù)頻率的光頻梳正在成為一種成熟的技術(shù)，但重復(fù)頻率為GHz的梳子仍然存在著大量挑戰(zhàn)。

首先，傳統(tǒng)的激光器架構(gòu)很難構(gòu)建低噪聲且重復(fù)頻率>0.5 GHz的諧振結(jié)構(gòu)，而MENHIR-1550飛秒激光器是一種在100 MHz至5 GHz的重復(fù)頻率下產(chǎn)生超低噪聲鎖模脈沖的穩(wěn)定光源模塊系統(tǒng)。其次，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f_rep頻率=1 GHz時，平均功率>1 W)，這樣才能方便與干涉儀進(jìn)行高精度對準(zhǔn)。而最近，Octave Photonics與Vescent Photonics合作，開發(fā)了一項新的整合與封裝技術(shù)。利用該項技術(shù)，光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)為檢測激光頻率梳的載波包絡(luò)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(dǎo)技術(shù)將光限制在~1 μm的模式直徑。借助強(qiáng)烈的非線性光學(xué)效應(yīng)，使得COSMO模塊允許以小于200 pJ (即f_rep頻率=1 GHz時，平均功率<200 mW)的脈沖能量精確檢測f_ceo。最后，由于1 GHz重復(fù)頻率的頻率梳的f_ceo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(shè)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(dá)10 GHz的頻率下反饋穩(wěn)定f_ceo。  
Menhir Photonics、Octave Photonics和Vescent Photonics的這三種突破性技術(shù)結(jié)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(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，完全穩(wěn)定的激光頻率梳可以在幾分鐘而不是幾天內(nèi)構(gòu)建出來。各個光學(xué)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。MENHIR-1550飛秒激光器的輸出首先通過一條90厘米長的色散補(bǔ)償光纖以補(bǔ)償系統(tǒng)中其他組件的色散。然后，1 GHz脈沖序列通過光學(xué)放大器進(jìn)行放大并進(jìn)入COSMO模塊。COSMO模塊包含超連續(xù)譜產(chǎn)生波導(dǎo)、二次諧波產(chǎn)生材料以及一個光電探測器。經(jīng)過f-2f自拍頻過程后，來自光電探測器的電信號通過一個以~380 MHz為中心頻率的可調(diào)諧帶通濾波器來選擇f_ceo，然后用一個額外的RF放大器進(jìn)行放大。該信號連接到Vescent SLICE-OPL，該模塊為MENHIR-1550的泵浦電流提供反饋，以實現(xiàn)f_ceo穩(wěn)定。使用射頻頻譜分析儀可以清晰記錄f_ceo頻譜和噪聲頻譜。在整個系統(tǒng)中，由于COSMO模塊的優(yōu)秀性能，放大器泵浦電流提供140 mW (140 pJ)即可優(yōu)化f_ceo信號。

在偏頻鎖定COSMO模塊內(nèi)部，光信號產(chǎn)生了超連續(xù)譜。超連續(xù)光譜顯示在780 nm附近有一個峰，而1560 nm附近的光頻率加倍，也會影響780 nm的光。為了在實驗上說明這個概念，我們將一個封裝的超連續(xù)譜產(chǎn)生裝置連接到放大器的輸出端。圖2顯示了放大器的窄帶頻譜是如何轉(zhuǎn)換為脈沖能量高約140 pJ的超寬超連續(xù)譜。
   
接下來，我們將放大器輸出連接到COSMO模塊，并調(diào)整放大器以提供最強(qiáng)的f_ceo信號。正如預(yù)期的那樣，信號優(yōu)化到約140 pJ時，在300 kHz分辨率帶寬下，f_ceo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(shù)據(jù)對于f_ceo所需的精確可靠的鎖定來說綽綽有余。然后，我們將f_ceo電信號連接到Vescent SLICE-OPL并開始反饋控制，這使得我們能夠?qū)?em>f_ceo鎖定到任意RF頻率(圖3，右側(cè)藍(lán)色曲線)。當(dāng)我們增加反饋的增益時，我們看到f_ceo的中心變窄，“相干尖峰”出現(xiàn)在中心(圖3，右側(cè)橙色曲線)。這表明我們實現(xiàn)了f_ceo的精確鎖相。在f_ceo鎖中觀察到的環(huán)內(nèi)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(qiáng)的抑制作用。  
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(gòu)建載波包絡(luò)偏頻穩(wěn)定的飛秒激光系統(tǒng),表明了目前能夠以更低的尺寸、重量和功率要求實現(xiàn)最先進(jìn)的性能,該系統(tǒng)可以作為1 GHz的超低噪聲光學(xué)頻率梳。
 

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