面向高速測量應用的單短光纖腔高重頻差雙光梳激光器

01導讀

過去二十年來，基于光學頻率梳的精密測量技術經歷了跨越式的發展，幫助著人類探索更多的微觀過程與宏觀宇宙。與經典的光梳測量系統相比，雙光梳技術利用兩套重復頻率稍有差別的光頻梳進行時域異步采樣，實現頻域多模外差干涉，從而大幅降低了信號檢測所需的設備帶寬和響應速度。然而，基于兩臺鎖模光纖激光器的傳統雙光梳系統由于光纖振蕩器的腔長限制，重頻難以提升，且鎖定系統復雜、成本高企；而基于單腔多維度復用的雙光梳光纖光源，雖然結構簡潔，具有本征的相干性優勢，但難以做到高重頻和重頻差的參數指標。這大大限制了雙光梳測量系統的采集率與精度，使其難以適用于諸多高速應用場景。南京大學徐飛教授團隊利用保偏增益光纖的雙折射特性，設計了緊湊的高雙折射單短光纖激光腔結構，提出一種基于偏振復用的高重頻、大重頻差的單腔雙光梳光纖激光器。僅用一根20 cm長的保偏增益光纖，實現了500 MHz重頻、重頻差＞ 120 kHz的雙光梳輸出。該研究成果以“Single-short-cavity dual-comb fiber laser with over 120 kHz repetition rate difference based onpolarization multiplexing”為題發表于OpticsLetters，南京大學丁梓軒博士為論文的第一作者，徐飛教授為論文的通訊作者。

02研究背景

雙光梳技術只需使用簡明的信號采集和處理系統即可做到大帶寬、高分辨率、快速的光域精密測量，從而被廣泛應用于光譜學測量、絕對頻率測量、距離測量、泵浦探測等精密測量領域中。在經典的光梳測量系統中，雙光梳通過兩個獨立的、重復頻率（frep）稍有差別的鎖模激光器來獲得，需要復雜的光頻梳反饋鎖定系統、高昂的成本以及苛刻的工作環境來確?；ハ喔尚院头€定性。為了實現雙光梳測量技術的現場應用和低成本推廣，單腔雙梳的構型被提出?；诓ㄩL復用、方向復用、光路復用以及偏振復用等方案，研究者們在同一激光諧振腔內實現了穩定的異步超短脈沖輸出，從而獲得了低系統復雜度的雙光梳光源。

然而，基于這些復用技術的單腔雙梳，重頻通常都在幾十MHz以內，其實現的重頻差（Δfrep）往往在幾十Hz到幾kHz的水平，這對于測量系統采集速度的進一步提升構成了挑戰。在雙光梳光譜分析系統中，采集時間T≥1/Δfrep，可見更大的重頻差能夠有效降低采集時間。在雙光梳測距系統中，雙梳的等效采樣率同時取決于重頻和重頻差，仿真表明，當雙梳的光譜帶寬一定時，每個重頻都對應一個精度最高的最優重頻差，而重頻更高時相應的最優測距精度也進一步提高。重頻達到200 MHz時，重頻差最優值需要達到40 kHz以上。大重頻差對于雙光梳測量的重要性可見一斑。

在本文中，我們提出了一種基于偏振復用的大重頻差單腔雙梳光源。利用保偏光纖的高雙折射，我們在緊湊的全光纖腔內實現了最高近500 MHz高重頻的矢量孤子鎖模，輸出的雙光梳重頻差超過120 kHz，較以往的單腔雙梳提升了超過一個數量級，對于實現全光纖、低成本、超緊湊的雙梳光源，并提升測量系統采樣率提供了新的解決方案。

03創新研究

3.1激光器裝置與雙梳輸出原理

傳統被動鎖模光纖激光器采用環形腔構型，為了集成光纖無源器件，腔長難以壓縮。本工作為了進一步縮短腔長，提升激光振蕩的重頻，采用了線形腔的構型。激光器裝置如圖1(a)所示，對一段保偏摻鉺單模光纖(PM-ESF)的兩個端面進行拋光，其中一個端面固定在半導體可飽和吸收鏡(SESAM)上，另一個端面固定在陶瓷插芯中。將一段單模光纖(SMF)端面拋光并固定在插芯中，其端面周期交替鍍上SiO2和Ta2O5薄膜構成分布式布拉格反射鏡(DBR)，通過設計膜厚使其在1550 nm附近高反，在980 nm附近高透；鍍膜光纖端面的顯微照片如圖1(b)所示。插芯固定的 PM-ESF 端面和鍍膜的 SMF 端面通過陶瓷套筒緊密對齊。該組合構成了線性法布里-珀羅光纖激光腔，其中DBR和SESAM起到腔鏡的作用。如圖1(c)所示，PM-ESF為PANDA光纖，雙折射可達3.4×10-4，如果兩個正交偏振態都在該單短腔中鎖模，則雙折射引入的理想Δfrep可由下式得出：

其中，c0是真空中的光速，L是FP腔長，nx和ny分別是正交偏振態的有效折射率，B= nx- ny是雙折射。 Δfrep與腔長L的關系曲線如圖1(d)所示，可見如果腔長短于 3 cm，則Δfrep值甚至可以超過 1 MHz。為了確保足夠增益，實驗中選用腔長為20 cm。

為了產生具有高重頻差的雙梳，974 nm 泵浦光通過波分復用器(WDM)注入腔內，偏振控制器(PC 1)用于控制泵浦的偏振，從而使得腔內的正交偏振態可以同時被激發和鎖模。生成的雙梳到達偏振分束器(PBS)后被分離，記為Pol. 1 和Pol. 2。二者分別使用光譜儀、自相關儀以及連接到示波器和頻譜儀的高速光電探測器進行監測。

圖1(a) 單短腔雙梳光纖激光器裝置的示意圖和照片；(b) 鍍膜光纖端面和 ；(c) 保偏增益光纖端面的顯微照片，比例尺為100μm；(d) 雙折射線形腔模型中Δfrep隨腔長的分布。

3.2雙頻輸出

實驗中，當泵浦功率達到65 mW時，激光器實現自啟動鎖模。泵浦功率增加至262 mW，通過微調PC 1，激光器開始在雙梳鎖模狀態下運行，同時產生兩個具有不同重頻的脈沖序列。圖2(a)顯示了雙梳各自以及同時輸出時的頻譜信號。二者重頻分別位于494.86622 MHz 和494.98777 MHz，重頻差為121.55 kHz。Δfrep值與約20 cm的腔長匹配，同時測量的Δfrep也與圖1(d)中的計算結果很好地對應。通過調整PBS之前的偏振控制器，Pol. 1重頻分量的抑制比達到了19.6 dB，而Pol. 2達到了15dB。二者同時輸出時，兩個重頻分量都實現了超過70 dB的信噪比。圖2(b)中的示波器軌跡展示了雙梳各自的脈沖序列，圖2(c)則為雙梳的光譜，均呈現典型的帶有凱利邊帶的孤子包絡。圖2(d)為雙梳各自的自相關軌跡。雙梳的平均輸出功率隨泵浦的變化如圖2(e) 所示。



圖2 雙梳輸出。分別為兩種偏振態單獨輸出及共同輸出時的 (a) 射頻譜、(b) 示波器時域軌跡、(c) 光譜以及 (d) 雙梳的自相關軌跡；(e) 各偏振態的輸出功率隨泵浦功率的變化。此處Pol. 1輸出以藍色曲線繪制，Pol. 2為紅色，共同輸出為灰色。

3.3雙梳相干性與穩定性

圖3(a)顯示了前述輸出雙梳的周期性干涉圖。此外實驗中還使用平衡光電探測器(BPD)測量了時域干涉。此處采用了重頻為520.37 MHz的較短的光纖腔。圖3(b)顯示了時域干涉圖，7.71 μs的干涉峰間隔表明Δfrep為129.7 kHz。圖3(c)中傅里葉變換干涉圖提供了相應的射頻譜，光梳的光譜在射頻域中成功重建，其中插圖所示的局部放大圖可以清楚地觀察到間隔約為130 kHz的射頻梳齒。由單腔結構帶來的共模抑制特性確保了射頻梳的梳齒可分辨。



圖3 雙梳干涉圖。(a) PD直接測量的時域干涉圖；(b) BPD測量的時域干涉圖及 (c) 相應的射頻譜，其中插圖是3.5 MHz寬度范圍的局部放大。

圖源: OpticsLetters(2023)

為了測試雙梳的穩定性，實驗中通過頻譜連續掃描來監測兩個鎖模脈沖串的重頻和重頻差。整個裝置在自由運轉條件下持續運行超過50分鐘，由于熱不穩定性，頻譜信號的信噪比在20分鐘到32分鐘之間有所波動。使用水冷對激光器進行被動散熱，圖4(b)中的頻譜演化圖顯示信噪比波動被抑制，其中提取出的重頻和重頻差數值波動如圖4(c)所示，Δfrep的為均方根波動低于0.11%。而在10分鐘短時間運轉測試中，Δfrep的為均方根波動為0.07%，如圖4(d)所示，顯示出該光源在精度要求較低但速度要求更高的低成本測量場景中的應用潛力。



圖4高重頻差雙梳的穩定性。(a) 自由運轉雙梳和 (b) 水冷雙梳超過 50 分鐘的射頻譜演變；(c) 50分鐘和 (d) 10分鐘內水冷雙梳的frep和Δfrep波動監測。

04應用與展望

本文展示了基于偏振復用的單短腔雙梳大重頻差全光纖鎖模激光器。這一簡潔的鎖模光纖激光器裝置利用保偏增益光纖的高雙折射來產生具有高互相干性的異步脈沖序列，實現了高達 500 MHz的重頻和超過120 kHz 的重頻差，較此前基于不同的復用方式的光纖單腔雙梳具有數量級的提升。此外，單短腔構型更高的重頻和更小的尺封裝寸，意味著進一步提升重頻差和實現雙光梳激光器小型化的潛力，使其有望成為提高雙梳測量應用采集速度的低成本解決方案。

審核編輯：劉清