超低噪聲光學頻率梳的載波包絡偏頻穩(wěn)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檢測激光頻率梳的載波包絡偏移頻率fceo,。為了評估鎖定fceo的穩(wěn)定性,，我們使用一個COSMO模塊來測量Menlo System公司的超低噪聲光學頻率梳的fceo，并使用反饋環(huán)外的第二個COSMO來驗證鎖相環(huán)的保真度,。我們發(fā)現(xiàn)兩個COSMO模塊的信號在鎖定1秒時優(yōu)于1x10-17,，在1000秒時優(yōu)于1x10-20。這種高穩(wěn)定性水平與成熟的f-2f干涉測量技術相當,，并且所需的能量更低,。
正文
光學頻率梳的穩(wěn)定性對于構建光學原子鐘、量子計算機以及量子傳感器都至關重要,。Menlo System公司致力于開發(fā)和制造迄今為止zui穩(wěn)定的頻率梳,，實現(xiàn)了破紀錄的光學時鐘和微波信號合成的穩(wěn)定性，處于行業(yè)的zui前沿,。穩(wěn)定光學頻率梳的梳齒結構,，就必須檢測和鎖定脈沖的載波包絡偏移頻率(fceo)。Menlo System系統(tǒng)的頻率梳系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的f-2f干涉測量進行檢測,，其利用專有的EOM腔可以在光纖振蕩器內穩(wěn)定fceo,，從而實現(xiàn)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,，為檢測fceo信號時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，從而實現(xiàn)更低的功耗或者更高的重復頻率激光器,。與傳統(tǒng)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，但其卻使用了新型的納米光子波導技術來產(chǎn)生超連續(xù)譜,。雖然這種方法不常見，但任何fceo檢測設備都可能會在檢測過程中引入過多的噪聲,，因此,，有必要驗證這類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COSMO模塊作為反饋回路的一部分來鎖定來自Menlo System的超低噪聲激光頻率梳的fceo,。另一個外環(huán)COSMO用于驗證fceo的穩(wěn)定性。通過比較兩個信號的差異,，就可以得知其是否完成低噪聲檢測,。
圖1 實驗裝置
Menlo激光器產(chǎn)生頻率為250 MHz的光脈沖串，中心波長約為1550 nm,。脈沖首先通過偏振色散補償光纖,，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(wěn)定的情況下系統(tǒng)也能穩(wěn)定運行,。脈沖隨后通過摻鉺光纖放大器，然后被50:50的光纖分離器分光,，每個COSMO模塊接受一半的脈沖光束,。在考慮損耗后，每個COSMO器件的輸入功率約為45 mW(脈沖能量180 pJ),。這一數(shù)值大約比使用傳統(tǒng)高度非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)介質和f-2f自參考所需的功率低5倍,。來自環(huán)內COSMO模塊的fceo信號與來自RF合成器的30 MHz信號混合。該信號通過鎖相環(huán)反饋器件向激光器提供反饋,。通過計數(shù)器分別記錄來自內環(huán)與外環(huán)模塊的信號次數(shù),，以驗證fceo信號的穩(wěn)定性。
如果兩組COSMO模塊功能穩(wěn)定,，則兩種儀器記錄的fceo信號應非常相似,。實際上也確實如此，如圖2b所示,，fceo在內環(huán)和外環(huán)的記錄值幾乎相同,，在1000秒的時間中可以達到8 × 10-21這一數(shù)量級。雖然用戶可能期望內環(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不同的光纖才能到達內環(huán)和外環(huán)模塊,，兩個模塊之間的總光纖長度差約為3米，在較短的時間內，這些測量很可能受到光纖路徑長度波動的限制,。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度的微小變化。
圖2 基于COSMO的fceo穩(wěn)定與驗證
通過使用兩個獨立的COSMO設備,，我們對梳齒穩(wěn)定性進行了測量,，驗證了COSMO可以以高的精度檢測載波包絡偏移的能力。我們發(fā)現(xiàn)COSMO使梳齒達到了與使用傳統(tǒng)f-2f干涉儀所獲得的穩(wěn)定性相當?shù)乃?。因此,，COSMO可用于穩(wěn)定低噪聲光頻梳的載波包絡偏移頻率，可以在1000秒內達到10-20這一數(shù)量級的精確頻率控制,，并且其所需的能量更小,。
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