Vescent SLICE-OPL 相位锁定下的1GHz 高重复频率坚固光梳

1 GHz 高重复频率坚固光梳（Vescent SLICE-OPL 相位锁定）
——基于 Menhir 1 GHz 振荡器、Octave COSMO f_ceo 探测器和 Vescent SLICE-OPL 锁相伺服器的样机演示

1. 引言

高重复频率（>1 GHz）光学频率梳相比低重复频率光梳，在遥感应用（如危险化合物远距离探测、地理测绘和光学测距）中具有更快的数据采集优势 [1–3]。此外，时频传递和超低相位噪声生成等应用也能从更高的脉冲重复频率中获益。高重复频率带来的更大梳齿间隔，结合光梳的频率稳定性，还可支持天文光谱仪校准，用于搜寻类地系外行星 [4]。虽然 GHz 级电信级锁模振荡器已有商用产品 [5]，但要将其转变为全稳定光学频率梳所需的脉冲能量，一直是制约该技术发展的重大障碍。传统上，通过高非线性光纤产生超连续谱来探测载波包络偏移频率（f_ceo）通常需要 >600 pJ 的脉冲能量，对于 1 GHz 脉冲串而言，这仅靠纤芯泵浦光纤放大器（需 >600 mW 平均功率）勉强可达。虽然包层泵浦放大器能达到该功率水平，但容易受损，且需要自由空间色散管理才能实现 <100 fs 的脉冲宽度。脉冲能量要求增加了系统的尺寸、复杂度和成本，使其因环境敏感性而难以现场部署，同时也因成本过高而超出许多实验预算。

图 1： 基于 Menhir 1 GHz 锁模振荡器、Octave Photonics COSMO f_ceo 探测器和 Vescent SLICE 偏移相位锁定（OPL）模块的高重复频率光学频率梳面包板演示。采用色散管理的单泵浦 Vescent 掺铒光纤放大器（EDFA）对 Menhir 振荡器的脉冲进行放大和压缩，并在 Octave COSMO 中完成 f_ceo 探测。使用窄线宽 RIO Planex 激光器，通过密集波分复用器（DWDM）滤出 Menhir 振荡器光信号，将两路光源在光纤分束器中合束并引导至高速光电探测器，实现 f_opt 探测。随后将 f_opt 和 f_ceo 送入高速偏移相位锁定模块（Vescent SLICE-OPL），激光外差信号可被锁定至射频振荡器。环内相位噪声由外部相位噪声分析仪（Microchip 53100A，未示出）测量。

Vescent Photonics 已基于商用组件研制出一款坚固、紧凑、全稳定化的面包板光学频率梳样机（图 1）。其子组件包括：商用 1 GHz 振荡器、单纤芯泵浦光纤放大器、基于纳米光子波导的 f_ceo 探测器、窄线宽激光器以及宽带相位锁定模块。光学系统全部采用保偏（PM）光纤元件，以简化组装并确保长期可靠运行。振荡器为商用 1 GHz 锁模激光器（Menhir-1550），以其极低的相位噪声和优异的寿命著称。采用 EDFA 和色散管理产生脉宽 180 fs（半高全宽）、脉冲能量 140 pJ 的脉冲，然后送入偏移频率探测器（Octave Photonics COSMO）以产生 f_ceo。为稳定光梳的一个光学齿，我们使用窄线宽连续激光器（RIO Planex），经电信 DWDM 滤波器滤出光梳光后，产生外差拍频信号（f_opt）。两个信号的信噪比（SNR）均 >50 dB（100 kHz 分辨率带宽），足以满足长期可靠运行。这两个信号通过 Vescent SLICE-OPL 锁相模块锁定至射频参考源，分别通过反馈至振荡器的泵浦电流和腔内 PZT 来实现。

2. 结果

自由运转的光梳射频拍频信号如图 2a) 和 b) 所示。我们将 f_ceo 锁定后，残余积分相位噪声为 265 mrad（图 2c），而稳定后的 f_opt 残余相位噪声为 273 mrad（图 2d，两者积分范围均为 1 kHz 至 1 MHz）。需注意，光学齿锁定的噪声受限于产生 f_opt 所用的连续激光器的噪声。若采用例如腔稳频连续激光器，可获得更优性能 [6]。

图 2： a) 和 b) 自由运转的 f_ceo 和 f_opt 拍频射频频谱（100 kHz RBW）。c) 和 d) 锁定后的 f_ceo 和 f_opt 相位噪声功率谱密度，其下方为积分相位噪声。f_ceo 和 f_opt 的残余积分相位噪声分别为 265 mrad 和 273 mrad（1 kHz 至 1 MHz）。

最后，根据环内相位噪声功率谱密度（PSD）计算了初步的频率不稳定度（阿伦偏差），并外推至更长的时间尺度（图 3）。Vescent 正在积极收集该系统的附加数据，以测量大于 1 秒时间尺度上的频率不稳定度。然而，先前在类似系统上的测量表明，环内相位噪声是更长时标下阿伦偏差性能的优良指标。这一光学稳定度水平表明，这些高重复频率光学频率梳适用于高性能应用，如光原子钟、双光梳光谱和低相位噪声微波产生。

图 3： 根据环内相位噪声 PSD 计算的 f_ceo（红色圆圈）和 f_opt（蓝色方块）初始频率不稳定度测量。数据采集正在进行中，以获取远大于 1 秒时间尺度上的环内稳定度。

参考文献

[1]                      D.I. Herman et al., “Precise multispecies agricultural gas flux determined using broadband open-path dual-comb spectroscopy," Science Advances, vol. 7, no. 14, 2021.

[2]                      G.B. Rieker et al., “Frequency-comb-based remote sensing of greenhouse gases over kilometer air paths," Optica, vol. 1, no. 290-298, 2014.

[3]                      Tze-An Liu et al., “Sub-micron absolute distance measurements in sub-millisecond times with dual free-running femtosecond Er fiber-lasers," Optics Express, vol. 19, no. 19, pp. 18501-18509, 2011.

[4]                      A.J. Metcalf et al., “Stellar spectroscopy in the near-infrared with a laser frequency comb," Optica, vol. 6, pp. 233-239, 2019.

[5]                      “Menhir Photonics," [Online]

[6]                      D.M.B. Lesko et al., “Fully phase-stabilized 1 GHz turnkey frequency comb at 1.56 μm," OSA Cont., vol. 3, 2020.