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光频梳与高稳定性、低噪声激光器简介

光学频率梳是指在频域包括一系列分立的、等频率间距的谱线的宽谱光源。光学频率梳可以通过不同的途径产生,但自John L. Hall 与 Theodor W. Hänsch 采用锁模激光产生光频梳的突破进展以后才愈加引人注目。Hall和Hänsch以此贡献获得2005年诺贝尔奖。光频梳可用于频率计量[1],精密光谱[2],距离测量[3],通讯[4]等等领域。

一台光频梳可以认为是一把频率测量的标尺。如果“梳齿”(每个分立谱线的频率)的频率已知,就可以用拍频的方法来测量其他的频率。拍频信号的频率是梳齿频率与未知频率之间的差。当需要测量很宽范围内的未知频率时,光频梳需要较大的带宽,也即“较长的尺”。

 

飞秒锁模激光器是产生宽带光频梳的*适合设备。锁模激光器的频谱包括系列分立的谱线,相邻谱线之间的频率差等于锁模振荡器的重复频率(frep). 一台锁模飞秒激光器天然就是一台光频梳,具备数纳米~数十纳米的谱宽;通过强非线性光学作用,例如高度非线性的光纤 (HNLF),光梳的谱宽更可以进一步扩展。这种技术可以产生“倍频程”光谱,即光谱中频率分量至少是*低频率分量的二倍. 

如果激光脉冲 — 不仅仅是脉冲包络,也包括电场— 序列是严格周期性的,所有的梳齿频率就会简单的等于激光器重频的整数倍。在实际的振荡器中,电场相对于包络通常有一个漂移。相邻脉冲之间,载波包络的峰值与电场峰值之间的相移的差被称为载波包络漂移 (CEO). 在频域,表现为梳齿频率与“零位”,即重复频率整数倍之间的差值,称为载波包络漂移频率 (fCEO) . 如果“重复频率” frep 及“载波包络漂移频率” fCEO 已知,则所有梳齿频率都可确定知道。

 

光频梳的噪声对于精密测量的重要性不言而喻. 光频梳的噪声可源自机械振动,泵浦光起伏或各种不同的量子过程,如输出耦合的随机性以及增益介质自发辐射等等. 不同梳齿的噪声是部分相关的,如镜片振动的噪声;但是存在一定水平的非相干噪声. 更为麻烦的是frep 和 fCEO的噪声也是部分相干的,但取决于噪声源,相干程度有所不同 [5]. 典型的,为了进行超精密测量, frep 以及 fCEO 都需要稳定. fCEO 可以通过一个反馈系统加以稳定,该反馈系统的误差信号来自于基频-倍频( f-2f) 干涉仪 [6, 7]. 光频梳的稳定控制可能非常烦杂,故采用一台尽可能低噪声的锁模激光器来构建光梳是非常重要的。

Menhir Photonics 的价值

 

MENHIR-1550系列是工业级的、1550nm中心波长锁模激光器,可提供200MHz - 2.5GHz重频。针对需要较大齿间距(齿间距 = 激光器重复频率)的应用,MENHIR的高重频振荡器是理想选择。同时,位于通讯C波段的中心波长,使得MENHIR激光器可以直接用于通讯应用,也可在其他应用中大量采用稳定可靠、成本优越的光通讯器件.

Menhir Photonics 具备极低位相噪声和极高可靠度。图1展示了250MHz重复频率的MenHIR-1550 自由运转时的典型位相噪声。相位噪声在10GHz载波(40阶谐波)上测量。噪声本底给出的累积时间抖动上限越为500as(阿秒)。

 

Fig 1.: (上) 在10GHz谐波上测量250MHz重频的MENHIR-1550激光器的位相噪声功率谱;(下)同一台激光器的10MHz起累积时间抖动.

MENHIR激光器可提供调节带宽>50kHz的快速重频精调选件,用于与其他装置的重频或位相锁定。同时可提供泵浦电流的快速调制选件。

MENHIR-1550 系列采用工业级的质量和环境适应性设计,经历严苛的振动、冲击以及其他外部干扰的测试(可包括宇航相关标准的测试)。针对空间有限的应用场合,可提供定制的小尺寸版本。


[1] T. Udem et al., “Absolute optical frequency measurement of the cesium D-1 line with a mode-locked laser”, Phys. Rev. Lett. 82 (18), 3568 (1999)

[2] N. Picqué and T. W. Hänsch, “Frequency comb spectroscopy”, Nature Photon. 13, 146 (2019)

[3] T. R. Schibli et al., “Displacement metrology with sub-pm resolution in air based on a fs-comb wavelength synthesizer”, Opt. Express 14 (13), 5984 (2006)

[4] P. Marin-Palomo et al., “Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications”, Nature 546, 274 (2017)

[5] R. Paschotta et al., “Optical phase noise and carrier–envelope offset noise of mode-locked lasers”, Appl. Phys. B 82 (2), 265 (2006)

[6] H. R. Telle et al., “Carrier–envelope offset phase control: a novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation”, Appl. Phys. B 69, 327 (1999)

[7] . D. J. Jones et al., “Carrier–envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis”, Science 288, 635 (2000)


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