如何搭建簡易1GHz低噪聲光頻梳系統(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(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zui先jin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，只不過一般的儀器以毫米,、毫秒為單位,，而光頻梳在長度的測量上精確勝過納米，時(shí)間則勝過飛秒,、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,，目前一般可以通過鎖定其重復(fù)頻率(frep)和載波包絡(luò)偏移頻率(fceo)來使得光梳梳齒穩(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(zhǔn)。而zui近,，Octave Photonics與Vescent Photonics合作,，開發(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fceo。zui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，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(gè)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。
我們將放大器輸出連接到COSMO模塊,，并調(diào)整放大器以提供zui強(qiáng)的fceo信號,。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)對于fceo所需的精確可靠的鎖定來說綽綽有余。然后,，我們將fceo電信號連接到Vescent SLICE-OPL并開始反饋控制,，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(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)zui先jin的性能,。上海昊量光電作為國內(nèi)專業(yè)的光電設(shè)備代理商,，針對光頻梳、微腔光頻梳,、fceo測量模塊,、鎖相環(huán)、高重頻脈沖振蕩器等各類光電設(shè)備都可以提供選型及各項(xiàng)技術(shù)服務(wù),，并且與Menhir Photonics,、Octave Photonics保持著長期穩(wěn)定合作。
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上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商,，產(chǎn)品包括各類激光器,、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備,、光學(xué)元件等,，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊,、生物醫(yī)療,、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué),、生物顯微,、物聯(lián)傳感、激光制造等,；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝,，培訓(xùn)，硬件開發(fā),，軟件開發(fā),，系統(tǒng)集成等服務(wù)。
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