如何搭建簡(jiǎn)易1GHz低噪聲光頻梳系統(tǒng)

利用Octave Photonics光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)來(lái)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)fceo的精確控制，信噪比>35dB，以更低的尺寸、重量和功率要求實(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的性能,該系統(tǒng)可以作為一種簡(jiǎn)單的1 GHz的超低噪聲光學(xué)頻率梳解決方案。

光頻梳就是利用鎖模激光產(chǎn)生超短光脈沖，特色是相鄰脈沖波時(shí)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(shí)器，只不過(guò)一般的儀器以毫米、毫秒為單位，而光頻梳在長(zhǎng)度的測(cè)量上精確勝過(guò)納米，時(shí)間則勝過(guò)飛秒、甚至達(dá)到阿秒。

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(cè)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(shí)域上是一系列時(shí)間寬度在飛秒級(jí)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(shí)現(xiàn)了其頻率覆蓋范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)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?；陲w秒鎖模激光器，目前一般可以通過(guò)鎖定其重復(fù)頻率(frep)和載波包絡(luò)偏移頻率(fceo)來(lái)使得光梳梳齒穩(wěn)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)。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(wěn)定光源模塊。其可以在100 MHz至5 GHz的重復(fù)頻率下產(chǎn)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(jù)其實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)，平均功率> 1 W)，這樣才能方便與干涉儀進(jìn)行高精度對(duì)準(zhǔn)。而最近，Octave Photonics與Vescent Photonics合作，開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的整合與封裝技術(shù)。利用該項(xiàng)技術(shù)，光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)為檢測(cè)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frep頻率=1 GHz時(shí)，平均功率< 200 mW)的脈沖能量精確檢測(cè)fceo。最后，由于1 GHz重復(fù)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(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fceo。

圖2 1 GHz 1550 nm簡(jiǎn)易光頻梳系統(tǒng)搭建

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(jiǎn)單形成了一個(gè)1 Ghz低噪聲飛秒激光頻率梳系統(tǒng)。在這個(gè)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(lái)。各個(gè)光學(xué)模塊間由保偏光纖相互連接，以簡(jiǎn)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(diào)整放大器以提供最強(qiáng)的fceo信號(hào)。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(shù)據(jù)對(duì)于fceo所需的精確可靠的鎖定來(lái)說(shuō)綽綽有余。然后，我們將fceo電信號(hào)連接到Vescent SLICE-OPL并開(kāi)始反饋控制，這使得我們能夠?qū)ceo鎖定到任意RF頻率(圖3，右側(cè)藍(lán)色曲線)。當(dāng)我們?cè)黾臃答伒脑鲆鏁r(shí)，我們看到fceo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(shí)現(xiàn)了fceo的精確鎖相。在fceo鎖中觀察到的環(huán)內(nèi)剩余相位噪聲如圖4所示，證實(shí)了對(duì)頻率低于40 khz的相位噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。

圖3使用COSMO單元檢測(cè)載波包絡(luò)偏移頻率fceo峰值

圖4鎖定fceo的環(huán)內(nèi)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(gòu)建簡(jiǎn)易的超低噪音光學(xué)頻率梳系統(tǒng)。這一實(shí)驗(yàn)也表明目前這些模塊化的專業(yè)產(chǎn)品能夠以更低的尺寸、重量和功率要求實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的性能。