超低噪聲光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò)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(luò)偏移頻率fceo。為了評(píng)估鎖定fceo的穩(wěn)定性，我們使用一個(gè)COSMO模塊來測量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來驗(yàn)證鎖相環(huán)的保真度。我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)COSMO模塊的信號(hào)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(wěn)定性水平與成熟的f-2f干涉測量技術(shù)相當(dāng)，并且所需的能量更低。

正文

光學(xué)頻率梳的穩(wěn)定性對于構(gòu)建光學(xué)原子鐘、量子計(jì)算機(jī)以及量子傳感器都至關(guān)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(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的光學(xué)時(shí)鐘和微波信號(hào)合成的穩(wěn)定性，處于行業(yè)的zui前沿。穩(wěn)定光學(xué)頻率梳的梳齒結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的頻率梳系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的f-2f干涉測量進(jìn)行檢測，其利用專有的EOM腔可以在光纖振蕩器內(nèi)穩(wěn)定fceo，從而實(shí)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(shù)，為檢測fceo信號(hào)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(xiàn)更低的功耗或者更高的重復(fù)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(shù)，但其卻使用了新型的納米光子波導(dǎo)技術(shù)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(shè)備都可能會(huì)在檢測過程中引入過多的噪聲，因此，有必要驗(yàn)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(gè)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(gè)外環(huán)COSMO用于驗(yàn)證fceo的穩(wěn)定性。通過比較兩個(gè)信號(hào)的差異，就可以得知其是否完成低噪聲檢測。

圖1    實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償光纖，以補(bǔ)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(yùn)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(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(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(zhì)和f-2f自參考所需的功率低5倍。來自環(huán)內(nèi)COSMO模塊的fceo信號(hào)與來自RF合成器的30 MHz信號(hào)混合。該信號(hào)通過鎖相環(huán)反饋器件向激光器提供反饋。通過計(jì)數(shù)器分別記錄來自內(nèi)環(huán)與外環(huán)模塊的信號(hào)次數(shù)，以驗(yàn)證fceo信號(hào)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(hào)應(yīng)非常相似。實(shí)際上也確實(shí)如此，如圖2b所示，fceo在內(nèi)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(dá)到8 × 10-21這一數(shù)量級(jí)。雖然用戶可能期望內(nèi)環(huán)和外環(huán)COSMO模塊應(yīng)該提供相同的fceo測量值，但因?yàn)槊}沖必須通過不同的光纖才能到達(dá)內(nèi)環(huán)和外環(huán)模塊，兩個(gè)模塊之間的總光纖長度差約為3米，在較短的時(shí)間內(nèi)，這些測量很可能受到光纖路徑長度波動(dòng)的限制。因此，我們將測量結(jié)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(yàn)證

通過使用兩個(gè)獨(dú)立的COSMO設(shè)備，我們對梳齒穩(wěn)定性進(jìn)行了測量，驗(yàn)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(xiàn)COSMO使梳齒達(dá)到了與使用傳統(tǒng)f-2f干涉儀所獲得的穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)乃健Ｒ虼?，COSMO可用于穩(wěn)定低噪聲光頻梳的載波包絡(luò)偏移頻率，可以在1000秒內(nèi)達(dá)到10-20這一數(shù)量級(jí)的精確頻率控制，并且其所需的能量更小。

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