超低噪聲光學頻率梳的載波包絡偏頻穩定測試

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偏移頻率f_ceo。為了評估鎖定f_ceo的穩定性，我們使用一個COSMO模塊來測量Menlo System公司的超低噪聲光學頻率梳的f_ceo，并使用反饋環外的第二個COSMO來驗證鎖相環的保真度。我們發現兩個COSMO模塊的信號在鎖定1秒時優于1x10^-17，在1000秒時優于1x10^-20。這種高穩定性水平與成熟的f-2f干涉測量技術相當，并且所需的能量更低。

正文
光學頻率梳的穩定性對于構建光學原子鐘、量子計算機以及量子傳感器都至關重要。Menlo System公司致力于開發和制造迄今為止最穩定的頻率梳，實現了破紀錄的光學時鐘和微波信號合成的穩定性，處于行業的最前沿。穩定光學頻率梳的梳齒結構，就必須檢測和鎖定脈沖的載波包絡偏移頻率(f_ceo)。Menlo System系統的頻率梳系統使用傳統的f-2f干涉測量進行檢測，其利用專有的EOM腔可以在光纖振蕩器內穩定f_ceo，從而實現超低噪聲操作。

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，為檢測f_ceo信號時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f_ceo，從而實現更低的功耗或者更高的重復頻率激光器。與傳統的f_ceo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，但其卻使用了新型的納米光子波導技術來產生超連續譜。雖然這種方法不常見，但任何f_ceo檢測設備都可能會在檢測過程中引入過多的噪聲，因此，有必要驗證這類新的鎖定模塊是否可以完成f_ceo的低噪聲檢測。所以，我們可以使用一個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f_ceo。另一個外環COSMO用于驗證f_ceo的穩定性。通過比較兩個信號的差異，就可以得知其是否完成低噪聲檢測。  
Menlo激光器產生頻率為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償光纖，以補償下游組件的色散，其余的光纖組件均采用保偏光纖，確保即使在環境不穩定的情況下系統也能穩定運行。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COSMO模塊接受一半的脈沖光束。在考慮損耗后，每個COSMO器件的輸入功率約為45 mW(脈沖能量180 pJ)。這一數值大約比使用傳統高度非線性光纖產生超連續介質和f-2f自參考所需的功率低5倍。來自環內COSMO模塊的f_ceo信號與來自RF合成器的30 MHz信號混合。該信號通過鎖相環反饋器件向激光器提供反饋。通過計數器分別記錄來自內環與外環模塊的信號次數，以驗證f_ceo信號的穩定性。

如果兩組COSMO模塊功能穩定，則兩種儀器記錄的f_ceo信號應非常相似。實際上也確實如此，如圖2b所示，f_ceo在內環和外環的記錄值幾乎相同，在1000秒的時間中可以達到8 × 10^-21這一數量級。雖然用戶可能期望內環和外環COSMO模塊應該提供完全相同的f_ceo測量值，但因為脈沖必須通過不同的光纖才能到達內環和外環模塊，兩個模塊之間的總光纖長度差約為3米，在較短的時間內，這些測量很可能受到光纖路徑長度波動的限制。因此，我們將測量結果之間的微小差異歸因于光纖中路徑長度的微小變化。  
通過使用兩個獨立的COSMO設備，我們對梳齒穩定性進行了測量，驗證了COSMO可以以極高的精度檢測載波包絡偏移的能力。我們發現COSMO使梳齒達到了與使用傳統f-2f干涉儀所獲得的穩定性相當的水平。因此，COSMO可用于穩定低噪聲光頻梳的載波包絡偏移頻率，可以在1000秒內達到10^-20這一數量級的精確頻率控制，并且其所需的能量更小。
 

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