1 GHz 高重復頻率堅固光梳（Vescent SLICE-OPL 相位鎖定）
——基于 Menhir 1 GHz 振蕩器、Octave COSMO f_ceo 探測器和 Vescent SLICE-OPL 鎖相伺服器的樣機演示

1. 引言

高重復頻率（>1 GHz）光學頻率梳相比低重復頻率光梳，在遙感應用（如危險化合物遠距離探測、地理測繪和光學測距）中具有更快的數據采集優勢 [1–3]。此外，時頻傳遞和超低相位噪聲生成等應用也能從更高的脈沖重復頻率中獲益。高重復頻率帶來的更大梳齒間隔，結合光梳的頻率穩定性，還可支持天文光譜儀校準，用于搜尋類地系外行星 [4]。雖然 GHz 級電信級鎖模振蕩器已有商用產品 [5]，但要將其轉變為全穩定光學頻率梳所需的脈沖能量，一直是制約該技術發展的重大障礙。傳統上，通過高非線性光纖產生超連續譜來探測載波包絡偏移頻率（f_ceo）通常需要 >600 pJ 的脈沖能量，對于 1 GHz 脈沖串而言，這僅靠纖芯泵浦光纖放大器（需 >600 mW 平均功率）勉強可達。雖然包層泵浦放大器能達到該功率水平，但容易受損，且需要自由空間色散管理才能實現 <100 fs 的脈沖寬度。脈沖能量要求增加了系統的尺寸、復雜度和成本，使其因環境敏感性而難以現場部署，同時也因成本過高而超出許多實驗預算。

圖 1： 基于 Menhir 1 GHz 鎖模振蕩器、Octave Photonics COSMO f_ceo 探測器和 Vescent SLICE 偏移相位鎖定（OPL）模塊的高重復頻率光學頻率梳面包板演示。采用色散管理的單泵浦 Vescent 摻鉺光纖放大器（EDFA）對 Menhir 振蕩器的脈沖進行放大和壓縮，并在 Octave COSMO 中完成 f_ceo 探測。使用窄線寬 RIO Planex 激光器，通過密集波分復用器（DWDM）濾出 Menhir 振蕩器光信號，將兩路光源在光纖分束器中合束并引導至高速光電探測器，實現 f_opt 探測。隨后將 f_opt 和 f_ceo 送入高速偏移相位鎖定模塊（Vescent SLICE-OPL），激光外差信號可被鎖定至射頻振蕩器。環內相位噪聲由外部相位噪聲分析儀（Microchip 53100A，未示出）測量。

Vescent Photonics 已基于商用組件研制出一款堅固、緊湊、全穩定化的面包板光學頻率梳樣機（圖 1）。其子組件包括：商用 1 GHz 振蕩器、單纖芯泵浦光纖放大器、基于納米光子波導的 f_ceo 探測器、窄線寬激光器以及寬帶相位鎖定模塊。光學系統全部采用保偏（PM）光纖元件，以簡化組裝并確保長期可靠運行。振蕩器為商用 1 GHz 鎖模激光器（Menhir-1550），以其極低的相位噪聲和優異的壽命著稱。采用 EDFA 和色散管理產生脈寬 180 fs（半高全寬）、脈沖能量 140 pJ 的脈沖，然后送入偏移頻率探測器（Octave Photonics COSMO）以產生 f_ceo。為穩定光梳的一個光學齒，我們使用窄線寬連續激光器（RIO Planex），經電信 DWDM 濾波器濾出光梳光后，產生外差拍頻信號（f_opt）。兩個信號的信噪比（SNR）均 >50 dB（100 kHz 分辨率帶寬），足以滿足長期可靠運行。這兩個信號通過 Vescent SLICE-OPL 鎖相模塊鎖定至射頻參考源，分別通過反饋至振蕩器的泵浦電流和腔內 PZT 來實現。

2. 結果

自由運轉的光梳射頻拍頻信號如圖 2a) 和 b) 所示。我們將 f_ceo 鎖定后，殘余積分相位噪聲為 265 mrad（圖 2c），而穩定后的 f_opt 殘余相位噪聲為 273 mrad（圖 2d，兩者積分范圍均為 1 kHz 至 1 MHz）。需注意，光學齒鎖定的噪聲受限于產生 f_opt 所用的連續激光器的噪聲。若采用例如腔穩頻連續激光器，可獲得更優性能 [6]。

圖 2： a) 和 b) 自由運轉的 f_ceo 和 f_opt 拍頻射頻頻譜（100 kHz RBW）。c) 和 d) 鎖定后的 f_ceo 和 f_opt 相位噪聲功率譜密度，其下方為積分相位噪聲。f_ceo 和 f_opt 的殘余積分相位噪聲分別為 265 mrad 和 273 mrad（1 kHz 至 1 MHz）。

最后，根據環內相位噪聲功率譜密度（PSD）計算了初步的頻率不穩定度（阿倫偏差），并外推至更長的時間尺度（圖 3）。Vescent 正在積極收集該系統的附加數據，以測量大于 1 秒時間尺度上的頻率不穩定度。然而，先前在類似系統上的測量表明，環內相位噪聲是更長時標下阿倫偏差性能的優良指標。這一光學穩定度水平表明，這些高重復頻率光學頻率梳適用于高性能應用，如光原子鐘、雙光梳光譜和低相位噪聲微波產生。

圖 3： 根據環內相位噪聲 PSD 計算的 f_ceo（紅色圓圈）和 f_opt（藍色方塊）初始頻率不穩定度測量。數據采集正在進行中，以獲取遠大于 1 秒時間尺度上的環內穩定度。

參考文獻

[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.