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超低噪声光学频率梳的载波包络偏频稳定测试

更新时间:2024-05-14 点击次数:105

超低噪声光学频率梳的载波包络偏频稳定测试


介绍


OCTave Photonics的光频梳偏频锁定模块COSMO提供了一种紧凑的方法来检测激光频率梳的载波包络偏移频率fceo。为了评估锁定fceo的稳定性,我们使用一个COSMO模块来测量Menlo System公司的超低噪声光学频率梳的fceo,并使用反馈环外的第二个COSMO来验证锁相环的保真度。我们发现两个COSMO模块的信号在锁定1秒时优于1x10-17,在1000秒时优于1x10-20。这种高稳定性水平与成熟的f-2f干涉测量技术相当,并且所需的能量更低。


正文


光学频率梳的稳定性对于构建光学原子钟、量子计算机以及量子传感器都至关重要。Menlo System公司致力于开发和制造迄今为止zui稳定的频率梳,实现了破纪录的光学时钟和微波信号合成的稳定性,处于行业的zui前沿。稳定光学频率梳的梳齿结构,就必须检测和锁定脉冲的载波包络偏移频率(fceo)。Menlo System系统的频率梳系统使用传统的f-2f干涉测量进行检测,其利用专有的EOM腔可以在光纤振荡器内稳定fceo,从而实现超低噪声操作。


近期,Octave Photonics 的光频梳偏频锁定模块(COSMO)利用新的整合与封装技术,为检测fceo信号时的光谱展宽和测量提供了另一种紧凑的解决方案。COSMO模块允许用极低的脉冲能量检测fceo,从而实现更低的功耗或者更高的重复频率激光器。与传统的fceo检测方案不同的是,COSMO模块虽然也采用了成熟的f-2f干涉测量技术,但其却使用了新型的纳米光子波导技术来产生超连续谱。虽然这种方法不常见,但任何fceo检测设备都可能会在检测过程中引入过多的噪声,因此,有必要验证这类新的锁定模块是否可以完成fceo的低噪声检测。所以,我们可以使用一个COSMO模块作为反馈回路的一部分来锁定来自Menlo System的超低噪声激光频率梳的fceo。另一个外环COSMO用于验证fceo的稳定性。通过比较两个信号的差异,就可以得知其是否完成低噪声检测。


图1    实验装置



Menlo激光器产生频率为250 MHz的光脉冲串,中心波长约为1550 nm。脉冲首先通过偏振色散补偿光纤,以补偿下游组件的色散,其余的光纤组件均采用保偏光纤,确保即使在环境不稳定的情况下系统也能稳定运行。脉冲随后通过掺铒光纤放大器,然后被50:50的光纤分离器分光,每个COSMO模块接受一半的脉冲光束。在考虑损耗后,每个COSMO器件的输入功率约为45 mW(脉冲能量180 pJ)。这一数值大约比使用传统高度非线性光纤产生超连续介质和f-2f自参考所需的功率低5倍。来自环内COSMO模块的fceo信号与来自RF合成器的30 MHz信号混合。该信号通过锁相环反馈器件向激光器提供反馈。通过计数器分别记录来自内环与外环模块的信号次数,以验证fceo信号的稳定性。


如果两组COSMO模块功能稳定,则两种仪器记录的fceo信号应非常相似。实际上也确实如此,如图2b所示,fceo在内环和外环的记录值几乎相同,在1000秒的时间中可以达到8 × 10-21这一数量级。虽然用户可能期望内环和外环COSMO模块应该提供相同的fceo测量值,但因为脉冲必须通过不同的光纤才能到达内环和外环模块,两个模块之间的总光纤长度差约为3米,在较短的时间内,这些测量很可能受到光纤路径长度波动的限制。因此,我们将测量结果之间的微小差异归因于光纤中路径长度的微小变化。


图2    基于COSMO的fceo稳定与验证



通过使用两个独立的COSMO设备,我们对梳齿稳定性进行了测量,验证了COSMO可以以的精度检测载波包络偏移的能力。我们发现COSMO使梳齿达到了与使用传统f-2f干涉仪所获得的稳定性相当的水平。因此,COSMO可用于稳定低噪声光频梳的载波包络偏移频率,可以在1000秒内达到10-20这一数量级的精确频率控制,并且其所需的能量更小。




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