1GHz低噪聲光頻梳的簡(jiǎn)易偏頻鎖定系統

介紹

利用OCTave Photonics光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)來(lái)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(shí)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(shí)現了zui先jin的性能,該系統可以作為一種簡(jiǎn)單的1 GHz的超低噪聲光學(xué)頻率梳解決方案。

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(xiàn)。飛秒光梳實(shí)現了其頻率覆蓋范圍內所有波長(cháng)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(lián)系?；陲w秒鎖模激光器，目前一般可以通過(guò)鎖定其重復頻率(frep)和載波包絡(luò )偏移頻率(fceo)來(lái)使得光梳梳齒穩定。frep主要由諧振腔的幾何腔長(cháng)L與介質(zhì)折射率n決定，使用外加電壓調控壓電陶瓷制動(dòng)器(PZT)的方法就可以實(shí)現對frep的鎖定。相比之下，鎖定fceo則更為困難，常見(jiàn)的方法是通過(guò)f-2f自參考過(guò)程，生成超連續譜將光譜展寬至至少一個(gè)倍頻程，然后將低頻倍頻后與高頻拍頻測得fceo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重復頻率的光頻梳正在成為一種成熟的技術(shù)，但重復頻率為GHz的梳子仍然存在著(zhù)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，而MENHIR-1550飛秒激光器是一種在100 MHz至5 GHz的重復頻率下產(chǎn)生超低噪聲鎖模脈沖的穩定光源模塊系統。其次，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)行高精度對準。而zui近，Octave Photonics與Vescent Photonics合作，開(kāi)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技術(shù)將光限制在~1 μm的模式直徑。借助強烈的非線(xiàn)性光學(xué)效應，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1    1 GHz 1550 nm飛秒激光器載波包絡(luò )偏頻穩定實(shí)驗裝置

Menhir Photonics、Octave Photonics和Vescent Photonics的這三種突破性技術(shù)結合在一起，便簡(jiǎn)單形成了一個(gè)1 Ghz低噪聲飛秒激光頻率梳系統。在這個(gè)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(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。MENHIR-1550飛秒激光器的輸出首先通過(guò)一條90厘米長(cháng)的色散補償光纖以補償系統中其他組件的色散。然后，1 GHz脈沖序列通過(guò)光學(xué)放大器進(jìn)行放大并進(jìn)入COSMO模塊。COSMO模塊包含超連續譜產(chǎn)生波導、二次諧波產(chǎn)生材料以及一個(gè)光電探測器。經(jīng)過(guò)f-2f自拍頻過(guò)程后，來(lái)自光電探測器的電信號通過(guò)一個(gè)以~380 MHz為中心頻率的可調諧帶通濾波器來(lái)選擇fceo，然后用一個(gè)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(shí)現fceo穩定。使用射頻頻譜分析儀可以清晰記錄fceo頻譜和噪聲頻譜。在整個(gè)系統中，由于COSMO模塊的優(yōu)xiu性能，放大器泵浦電流提供140 mW (140 pJ)即可優(yōu)化fceo信號。

在偏頻鎖定COSMO模塊內部，光信號產(chǎn)生了超連續譜。超連續光譜顯示在780 nm附近有一個(gè)峰，而1560 nm附近的光頻率加倍，也會(huì )影響780 nm的光。為了在實(shí)驗上說(shuō)明這個(gè)概念，我們將一個(gè)封裝的超連續譜產(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換為脈沖能量高約140 pJ的超寬超連續譜。

圖2    COSMO模塊產(chǎn)生的超連續統

接下來(lái)，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。正如預期的那樣，信號優(yōu)化到約140 pJ時(shí)，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(lái)說(shuō)綽綽有余。然后，我們將fceo電信號連接到Vescent SLICE-OPL并開(kāi)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(xiàn))。當我們增加反饋的增益時(shí)，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(xiàn))。這表明我們實(shí)現了fceo的精確鎖相。在fceo鎖中觀(guān)察到的環(huán)內剩余相位噪聲如圖4所示，證實(shí)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(luò )偏移頻率fceo峰值

圖4    鎖定fceo的環(huán)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，可以輕松構建載波包絡(luò )偏頻穩定的飛秒激光系統,表明了目前能夠以更低的尺寸、重量和功率要求實(shí)現zui先jin的性能,該系統可以作為1 GHz的超低噪聲光學(xué)頻率梳。

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