【概述】

光學(xué)頻率梳就像是一把擁有精密刻度的光尺，一般的儀器以毫米、毫秒為單位，而光學(xué)頻率梳的極ng確度，在長度的測(cè)量上勝過納米，在時(shí)間上則勝過飛秒、甚至達(dá)到阿托秒。

頻率梳提供的是波長尺，可以在非常多的波長上進(jìn)行精密的頻域與時(shí)域校準(zhǔn)，其精度是前所未有的。頻率梳研究是下一代原子鐘、天文觀測(cè)、阿托秒光學(xué)物理、精密光譜測(cè)量、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域的突破口。

穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳出現(xiàn)以后，超極ng確測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。因此穩(wěn)定光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生成為國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

【實(shí)驗(yàn)/設(shè)備條件】

采用Vescent D2-125可重構(gòu)伺服器

【樣品提取】

【實(shí)驗(yàn)/操作方法】

獲得穩(wěn)定頻率梳的方法

下文以加州大學(xué)的高級(jí)研究員Dr. Shu-wei Huang采用窄線寬連續(xù)激光器抽運(yùn)克爾微諧振腔為例，介紹得到穩(wěn)定光學(xué)頻率梳的方法。

圖 美國加州大學(xué)的Dr. Shu-wei Huang采用Vescent D2-125可重構(gòu)伺服器實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頻率梳的穩(wěn)定輸出。該圖為系統(tǒng)圖，基本簡要顯示了Vsecent D2系列激光控制系統(tǒng)對(duì)單個(gè)激光器的峰值鎖定以及邊帶鎖定的所需的相關(guān)儀器以及技術(shù)路線。需要D2-105對(duì)D2-100激光器進(jìn)行溫度電流控制，使用D2-125對(duì)單個(gè)激光器進(jìn)行峰值或邊帶鎖定，并由D2-210為D2-125提供參考頻率，且均由D2-005為控制器及鎖頻器提供電源供應(yīng)。

Dr. Shu-wei Huang采用Vescent D2-125可重構(gòu)伺服器穩(wěn)定了頻率梳的梳齒間隔，其光學(xué)頻率梳基于微腔激光器。該微諧振腔設(shè)計(jì)用于輸出1600 nm、17.9 GHz的自由光譜。頻率梳的兩個(gè)自由度：梳齒間隔與載波包絡(luò)相位頻移分別獨(dú)立鎖相到兩個(gè)微波合成器。微諧振腔的熱容只有2×10-15m3，梳齒間隔極易受到抽運(yùn)功率擾動(dòng)、溫度變化、光學(xué)準(zhǔn)直漂移等技術(shù)性噪音的影響。因此，帶寬500 kHz以上的伺服循環(huán)對(duì)于穩(wěn)定微諧振器頻率梳的梳齒間隔是非常關(guān)鍵的。

通過高速光電探測(cè)器（EOT，ET-3500）測(cè)量17.9 GHz的梳齒間隔，并采用低噪前置放大器進(jìn)行了放大。

圖1 PI2D伺服循環(huán)過程

圖2 解調(diào)后的梳齒間隔拍音信號(hào)

圖2是解調(diào)后的梳齒間隔拍音信號(hào)，可見信噪比高于60 dB，分辨率100 kHz。該電學(xué)信號(hào)與微波合成器（Gigatronics 905）采用雙平衡混頻器（Pasternack PE8653）進(jìn)行混頻，縮混信號(hào)經(jīng)過2.5 MHz低通濾波（Minicircuits BLP-1.9+）后作為參考信號(hào)，反饋給PID伺服循環(huán)（Vescent Photonics D2-125）。

為了得到**的噪聲YZ，他們將**級(jí)積分器的頻率設(shè)置為1 kHz，第二級(jí)積分器的頻率設(shè)置在200 kHz。為了得到更加穩(wěn)定的伺服循環(huán)，他們將衍生控制頻率設(shè)置在500 kHz，微分增益設(shè)置為10 dB。伺服輸出通過光纖光電調(diào)制器接收，以此來控制摻鉺放大器（EDFA）的輸入功率，EDFA是用來抽運(yùn)微諧振腔的。EDFA在電流控制模式下運(yùn)行，輸入調(diào)制可以直接轉(zhuǎn)換成輸出功率。對(duì)抽運(yùn)功率的調(diào)制是通過熱擴(kuò)散、熱光效應(yīng)、非線性相位累積來控制梳齒間隔的有效途徑。圖3展示了微諧振腔的光學(xué)頻率梳自由運(yùn)行（紅色線）與穩(wěn)定狀態(tài)（黑色線）下的AC錯(cuò)誤信號(hào)。

圖3 光學(xué)頻率梳自由及穩(wěn)定狀態(tài)錯(cuò)誤信號(hào)

由于光學(xué)準(zhǔn)直的漂移，伺服輸出的平均水平會(huì)持續(xù)增加，直到10分鐘后失鎖。因此，他們采用D2-125伺服器的第二路伺服輸出進(jìn)行了慢伺服。增益設(shè)置為1s，通過DIP選擇增益系數(shù)。第二路伺服輸出用于調(diào)制EDFA的驅(qū)動(dòng)電流，這延長了數(shù)個(gè)小時(shí)的穩(wěn)定鎖定狀態(tài)。

圖4展示了在自由出射（黑色空心方塊）與穩(wěn)定梳齒間隔（藍(lán)色實(shí)心方塊）條件下的阿倫方差，可見梳齒間隔的主動(dòng)伺服循環(huán)相比于自由出射提高了大于5個(gè)數(shù)量級(jí)的穩(wěn)定性。

圖4 時(shí)域阿倫方差圖

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果/結(jié)論】

隨著光電子行業(yè)發(fā)展，自鎖定技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部的環(huán)境溫度與振動(dòng)具有自反饋調(diào)節(jié)的能力，而Dr. Shu-wei Huang使參考信號(hào)反饋給Vescent D2-125PID伺服循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定梳齒間隔的目的，實(shí)驗(yàn)證明梳齒間隔的主動(dòng)伺服循環(huán)相比于自由出射提高了大于5個(gè)數(shù)量級(jí)的穩(wěn)定性。

穩(wěn)定的梳齒間隔使得光梳真正的可以被作為“光尺”使用，同時(shí)使得極ng確測(cè)量連續(xù)波激光器的頻率就變得輕而易舉了。光梳的這些優(yōu)點(diǎn)使得時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)從微波向光學(xué)轉(zhuǎn)變。

【儀器/耗材清單】