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)，可以在激光脈衝(chong) 能量小於(yu) 140 pJ(平均功率<140 mW)的情況下實現對fceo的精確控製，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,該係統可以作為(wei) 一種簡單的1 GHz低噪聲的光學頻率梳解決(jue) 方案。
1GHz低噪聲光頻梳的簡易偏頻鎖定係統
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)，可以在激光脈衝(chong) 能量小於(yu) 140 pJ(平均功率<140 mW)的情況下實現對fceo的精確控製，信噪比>35dB，以更低的尺寸、重量和功率要求實現了性能,該係統可以作為(wei) 一種簡單的1 GHz的超低噪聲光學頻率梳解決(jue) 方案。
正文
光學頻率梳因其具有高精度、高靈敏度、高分辨率的特性，為(wei) 光學原子鍾、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衝(chong) 光，它在時域上是一係列時間寬度在飛秒級別的超短脈衝(chong) ，在頻域上是一係列間隔相等、位置固定、具有極寬光譜範圍的單色譜線。飛秒光梳實現了其頻率覆蓋範圍內(nei) 所有波長的直接鎖定並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係。基於(yu) 飛秒鎖模激光器，目前一般可以通過鎖定其重複頻率(frep)和載波包絡偏移頻率(fceo)來使得光梳梳齒穩定。frep主要由諧振腔的幾何腔長L與(yu) 介質折射率n決(jue) 定，使用外加電壓調控壓電陶瓷製動器(PZT)的方法就可以實現對frep的鎖定。相比之下，鎖定fceo則更為(wei) 困難，常見的方法是通過f-2f自參考過程，生成超連續譜將光譜展寬至至少一個(ge) 倍頻程，然後將低頻倍頻後與(yu) 高頻拍頻測得fceo後接入鎖相環反饋器件進行鎖定。雖然工作頻率接近100 MHz重複頻率的光頻梳正在成為(wei) 一種成熟的技術，但重複頻率為(wei) GHz的梳子仍然存在著大量挑戰。
首先，傳(chuan) 統的激光器架構很難構建低噪聲且重複頻率>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的重複頻率下產(chan) 生超低噪聲鎖模脈衝(chong) 的穩定光源模塊係統。其次，f-2f自參考過程通常要求激光擁有至少1 nJ的脈衝(chong) 能量(即frep頻率=1 GHz時，平均功率>1 W)，這樣才能方便與(yu) 幹涉儀(yi) 進行高精度對準。而zui近，Octave Photonics與(yu) Vescent Photonics合作，開發了一項新的整合與(yu) 封裝技術。利用該項技術，光頻梳偏頻鎖定模塊(COSMO)為(wei) 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(jue) 方案。COSMO模塊利用納米光子波導技術將光限製在~1 μm的模式直徑。借助強烈的非線性光學效應，使得COSMO模塊允許以小於(yu) 200 pJ (即frep頻率=1 GHz時，平均功率<200 mW)的脈衝(chong) 能量精確檢測fceo。zui後，由於(yu) 1 GHz重複頻率的頻率梳的fceo可以從(cong) DC變化至500 MHz，因此為(wei) 激光提供快速反饋所需的電子設備並非微不足道。新的Vescent Photonics SLICE偏移鎖相(SLICE-OPL)盒提供了一種直接的反饋解決(jue) 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偏頻穩定實驗裝置
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(ge) 1 Ghz低噪聲飛秒激光頻率梳係統。在這個(ge) 係統中，完全穩定的激光頻率梳可以在幾分鍾而不是幾天內(nei) 構建出來。各個(ge) 光學模塊間由保偏光纖相互連接，以簡化組裝難度並減少熱漂移。MENHIR-1550飛秒激光器的輸出首先通過一條90厘米長的色散補償(chang) 光纖以補償(chang) 係統中其他組件的色散。然後，1 GHz脈衝(chong) 序列通過光學放大器進行放大並進入COSMO模塊。COSMO模塊包含超連續譜產(chan) 生波導、二次諧波產(chan) 生材料以及一個(ge) 光電探測器。經過f-2f自拍頻過程後，來自光電探測器的電信號通過一個(ge) 以~380 MHz為(wei) 中心頻率的可調諧帶通濾波器來選擇fceo，然後用一個(ge) 額外的RF放大器進行放大。該信號連接到Vescent SLICE-OPL，該模塊為(wei) MENHIR-1550的泵浦電流提供反饋，以實現fceo穩定。使用射頻頻譜分析儀(yi) 可以清晰記錄fceo頻譜和噪聲頻譜。在整個(ge) 係統中，由於(yu) COSMO模塊的性能，放大器泵浦電流提供140 mW (140 pJ)即可優(you) 化fceo信號。
在偏頻鎖定COSMO模塊內(nei) 部，光信號產(chan) 生了超連續譜。超連續光譜顯示在780 nm附近有一個(ge) 峰，而1560 nm附近的光頻率加倍，也會(hui) 影響780 nm的光。為(wei) 了在實驗上說明這個(ge) 概念，我們(men) 將一個(ge) 封裝的超連續譜產(chan) 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(wei) 脈衝(chong) 能量高約140 pJ的超寬超連續譜。
圖2 COSMO模塊產(chan) 生的超連續統
接下來，我們(men) 將放大器輸出連接到COSMO模塊，並調整放大器以提供zui強的fceo信號。正如預期的那樣，信號優(you) 化到約140 pJ時，在300 kHz分辨率帶寬下，fceo的信噪比約為(wei) 36 dB，在100 kHz分辨率帶寬下，信噪比約為(wei) 42 dB(圖3)。這樣的信噪比數據對於(yu) fceo所需的精確可靠的鎖定來說綽綽有餘(yu) 。然後，我們(men) 將fceo電信號連接到Vescent SLICE-OPL並開始反饋控製，這使得我們(men) 能夠將fceo鎖定到任意RF頻率(圖3，右側(ce) 藍色曲線)。當我們(men) 增加反饋的增益時，我們(men) 看到fceo的中心變窄，“相幹尖峰”出現在中心(圖3，右側(ce) 橙色曲線)。這表明我們(men) 實現了fceo的精確鎖相。在fceo鎖中觀察到的環內(nei) 剩餘(yu) 相位噪聲如圖4所示，證實了對頻率低於(yu) 40 khz的相位噪聲有很強的抑製作用。
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(nei) 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，可以輕鬆構建載波包絡偏頻穩定的飛秒激光係統,表明了目前能夠以更低的尺寸、重量和功率要求,該係統可以作為(wei) 1 GHz的超低噪聲光學頻率梳。
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Octave Photonics成立於(yu) 2019年，為(wei) 各地大學、實驗室以及国产黄色在线观看提供基於(yu) 非線性光子學的即用型器件，主要包括：超連續譜生成、低功耗頻率梳、原子鍾、高帶寬通信、衛星子係統等等。
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