超低噪聲光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò )偏頻穩定測試

介紹

OCTave Photonics的光頻梳偏頻鎖定模塊COSMO提供了一種緊湊的方法來(lái)檢測激光頻率梳的載波包絡(luò )偏移頻率fceo。為了評估鎖定fceo的穩定性，我們使用一個(gè)COSMO模塊來(lái)測量Menlo System公司的超低噪聲光學(xué)頻率梳的fceo，并使用反饋環(huán)外的第二個(gè)COSMO來(lái)驗證鎖相環(huán)的保真度。我們發(fā)現兩個(gè)COSMO模塊的信號在鎖定1秒時(shí)優(yōu)于1x10-17，在1000秒時(shí)優(yōu)于1x10-20。這種高穩定性水平與成熟的f-2f干涉測量技術(shù)相當，并且所需的能量更低。

正文

光學(xué)頻率梳的穩定性對于構建光學(xué)原子鐘、量子計算機以及量子傳感器都至關(guān)重要。Menlo System公司致力于開(kāi)發(fā)和制造迄今為止zui穩定的頻率梳，實(shí)現了破紀錄的光學(xué)時(shí)鐘和微波信號合成的穩定性，處于行業(yè)的zui前沿。穩定光學(xué)頻率梳的梳齒結構，就必須檢測和鎖定脈沖的載波包絡(luò )偏移頻率(fceo)。Menlo System系統的頻率梳系統使用傳統的f-2f干涉測量進(jìn)行檢測，其利用專(zhuān)有的EOM腔可以在光纖振蕩器內穩定fceo，從而實(shí)現超低噪聲操作。

近期，Octave Photonics 的光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)利用新的整合與封裝技術(shù)，為檢測fceo信號時(shí)的光譜展寬和測量提供了另一種緊湊的解決方案。COSMO模塊允許用極低的脈沖能量檢測fceo，從而實(shí)現更低的功耗或者更高的重復頻率激光器。與傳統的fceo檢測方案不同的是，COSMO模塊雖然也采用了成熟的f-2f干涉測量技術(shù)，但其卻使用了新型的納米光子波導技術(shù)來(lái)產(chǎn)生超連續譜。雖然這種方法不常見(jiàn)，但任何fceo檢測設備都可能會(huì )在檢測過(guò)程中引入過(guò)多的噪聲，因此，有必要驗證這類(lèi)新的鎖定模塊是否可以完成fceo的低噪聲檢測。所以，我們可以使用一個(gè)COSMO模塊作為反饋回路的一部分來(lái)鎖定來(lái)自Menlo System的超低噪聲激光頻率梳的fceo。另一個(gè)外環(huán)COSMO用于驗證fceo的穩定性。通過(guò)比較兩個(gè)信號的差異，就可以得知其是否完成低噪聲檢測。

圖1    實(shí)驗裝置

Menlo激光器產(chǎn)生頻率為250 MHz的光脈沖串，中心波長(cháng)約為1550 nm。脈沖首先通過(guò)偏振色散補償光纖，以補償下游組件的色散，其余的光纖組件均采用保偏光纖，確保即使在環(huán)境不穩定的情況下系統也能穩定運行。脈沖隨后通過(guò)摻鉺光纖放大器，然后被50:50的光纖分離器分光，每個(gè)COSMO模塊接受一半的脈沖光束。在考慮損耗后，每個(gè)COSMO器件的輸入功率約為45 mW(脈沖能量180 pJ)。這一數值大約比使用傳統高度非線(xiàn)性光纖產(chǎn)生超連續介質(zhì)和f-2f自參考所需的功率低5倍。來(lái)自環(huán)內COSMO模塊的fceo信號與來(lái)自RF合成器的30 MHz信號混合。該信號通過(guò)鎖相環(huán)反饋器件向激光器提供反饋。通過(guò)計數器分別記錄來(lái)自?xún)拳h(huán)與外環(huán)模塊的信號次數，以驗證fceo信號的穩定性。

如果兩組COSMO模塊功能穩定，則兩種儀器記錄的fceo信號應非常相似。實(shí)際上也確實(shí)如此，如圖2b所示，fceo在內環(huán)和外環(huán)的記錄值幾乎相同，在1000秒的時(shí)間中可以達到8 × 10-21這一數量級。雖然用戶(hù)可能期望內環(huán)和外環(huán)COSMO模塊應該提供相同的fceo測量值，但因為脈沖必須通過(guò)不同的光纖才能到達內環(huán)和外環(huán)模塊，兩個(gè)模塊之間的總光纖長(cháng)度差約為3米，在較短的時(shí)間內，這些測量很可能受到光纖路徑長(cháng)度波動(dòng)的限制。因此，我們將測量結果之間的微小差異歸因于光纖中路徑長(cháng)度的微小變化。

圖2    基于COSMO的fceo穩定與驗證

通過(guò)使用兩個(gè)獨立的COSMO設備，我們對梳齒穩定性進(jìn)行了測量，驗證了COSMO可以以高的精度檢測載波包絡(luò )偏移的能力。我們發(fā)現COSMO使梳齒達到了與使用傳統f-2f干涉儀所獲得的穩定性相當的水平。因此，COSMO可用于穩定低噪聲光頻梳的載波包絡(luò )偏移頻率，可以在1000秒內達到10-20這一數量級的精確頻率控制，并且其所需的能量更小。

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