2021, Vol. 43
Issue (1): 76-81
2. 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062
2. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China
自1978年Hänsch教授提出光学频率梳（简称“光梳”）概念后[1]，光梳已经取得了巨大的发展。光梳是基于超短脉冲锁模激光器产生的，其输出脉冲在时域上是等间隔、等振幅的超短脉冲序列，在频域上是等间隔的梳齿线。相邻梳齿线之间的频率间隔为fr，梳齿整体相对于零频偏移为f0，第m个光学频率齿满足fm=m×fr+f0，其中m为梳齿序数。光梳作为连接微波频率与光波频率的桥梁，相比复杂的微波频率链，具有结构简单、操作方便的特点。目前，光梳系统在高分辨率光谱分析、天文光谱校准、精密测距、光钟等[2-6]前沿科学研究中产生了重大影响。
科研人员基于多种不同类型的锁模激光器已经开发出光梳系统。2000年，Hall首次实现了钛宝石光梳[7]，但钛宝石光梳存在体积大、结构复杂、不便于移动以及抗环境干扰能力差等缺点。随着超短脉冲技术的发展和光纤制造工艺的进步，光纤光梳凭借其体积小，结构简单，稳定性高等优势，逐渐成为科研人员替代钛宝石光梳的选择。2004年，美国国家标准与技术研究院(NIST)的Washburn等首次实现了重复频率和载波包络相位锁定的光纤光梳，在锁定后重复频率相位噪声小于1 mrad，载波包络相位的抖动小于10 MHz[8]。2014年，NIST的Sinclair等演示了基于半导体可饱和吸收镜锁模的光纤光梳系统，该系统可以在运动的汽车和振动台上稳定运行[9]。2016年，Kuse等利用非线性放大环形镜锁模实现了光纤光梳，载波包络偏移频率相位噪声低至0.2 rad[10]。为了实现光纤光梳的长时锁定，国内多个研究小组采取了不同的方案。2012年，曹士英等通过对激光器底板进行严格温控，实现了光梳20 h的连续锁定[11]。2015年，张颜艳等通过在非线性偏振旋转锁模的振荡器中加入电光调制器（EOM）和压电陶瓷（PZT），在3 kHz的锁定范围内实现重复频率锁定时间超过一周，但是，载波包络相位的锁定能力仍需优化[12]。
本文设计了基于非线性偏振旋转（NPR）锁模振荡器的光纤光梳。通过两块半导体制冷器（TEC）对光纤振荡器的温度精细控制，提高了光梳抗环境干扰的能力。通过锁相电路与温控电路的结合，实现了fr与f0在170 h内的连续锁定，抖动标准偏差分别为0.83 MHz和280 MHz。
1 光学频率梳结构设计光纤光梳的结构如图1所示。主要由振荡器、超短脉冲放大器、脉宽压缩器、光谱展宽器、f-2f拍频装置、锁相电路以及温控系统组成。光梳的实现需要将锁模激光器的fr与f0精密锁定，由光纤振荡器产生的脉冲光经CP2分为两路，一路进入PD1产生fr信号，另外一路输出的超短脉冲放大压缩后，注入高非线性光纤进行光谱扩展，得到具有倍频程的超连续谱后，通过f-2f装置便能够获得f0信号。fr的控制主要是通过PZT改变腔长实现的，该方案具有成本低、操作简单的优点。f0的控制主要是通过调节泵浦光实现的。锁模振荡器和超短脉冲放大器为全光纤结构，具有较高的稳定性和抗环境干扰能力。采用的共线型f-2f装置可以确保基频光与倍频光在空间上始终重合，显著提高了f0信号的强度和信噪比。
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图 1 掺铒光纤光学频率梳结构 Figure 1 Schematic of Er-doped fiber optical frequency comb |
搭建了基于NPR锁模的振荡器，其中包括976 nm的半导体激光器（LD）、波分复用器（WDM）、掺铒光纤（EDF）、10%输出的光纤耦合器（CP1）、电控偏振控制器（EPC）以及偏振相关的隔离器（ISO）。976 nm的泵浦光由波分复用器耦合进入腔内长度为50 cm的增益光纤（EDF-80，OFS），该增益光纤在1530 nm处的吸收系数为80 dB/m，色散参量为−48 ps/（nm·km）。电控偏振控制器（MPC-3X，General Photonics）可以通过调节三个轴上的电压控制腔内脉冲偏振态的演化。偏振相关隔离器用于保证脉冲单向传输，同时起到检偏器的作用。当泵光功率超过80 mW时，将电控偏振控制器三个轴上的电压调节为16 V、25 V和0 V，可实现稳定的锁模脉冲序列。激光器的重复频率为102.3 MHz，且光纤耦合器CP1输出种子光的平均功率为2.8 mW、中心波长为1565 nm。
为了提高光梳系统的可集成性，实验上设计了全保偏光纤链路的光功率放大、脉冲压缩和光谱展宽系统。从振荡器出来的种子光经过光纤分束器CP2（分束比10∶90）分成两路，10%端为重复频率监测端，90%端作为种子光进入光功率放大器EDFA。种子光经过EDFA后平均功率提升至180 mW。放大后的脉冲由光纤分束器CP3（分束比10∶90）分为两路：10%端为应用端，平均功率为17 mW；90%端经过脉冲压缩、光谱展宽得到超连续谱。脉宽压缩后采用自相关仪（APE，PulseCheck）对脉宽进行测量，脉宽被压缩为76 fs。光谱展宽用的高非线性光纤为椭圆纤芯，其非线性系数为10.5 W−1·km−1，在1550 nm处的色散为−2.4 fs2/mm。展宽后光谱范围1000~2200 nm。
超连续谱进入共线型f-2f装置，通过拍频获得f0信号。超连续谱通过一个准直透镜L1和聚焦透镜L2后耦合进入周期极化铌酸锂晶体（PPLN）。为了提高PPLN晶体的倍频效率，在聚焦透镜后加入半波片来调节光束的偏振态。超连续谱中2094 nm附近的光在PPLN晶体中倍频成1047 nm，该激光与原有的1047 nm部分共线通过窄带滤波片BP。最后，耦合进入光电探测器PD2获取f0信号。
对于fr的锁定，光电探测器PD1探测到的fr信号经过带通滤波器BP1后进入混频器M1，与频率为1.023 GHz的参考信号RF1进行混频，由低通滤波器LPF1滤出误差信号，经过高压放大器HVA后驱动PZT，利用PZT控制振荡器腔长实现对fr的锁定[13]。对于f0的锁定，光电探测器PD2探测到的f0信号由带通滤波器BP2滤出，先进行64分频，再将分频后的信号与2 MHz的标准信号RF2进行混频，并由低通滤波器LFP2滤出误差信号，最后，通过误差信号反馈调节腔内泵浦源功率，实现对f0的精密锁定。其中，RF2与RF1参考在同一台铷钟上。
锁模激光器在自由运转状态下，fr与f0的慢漂主要来自振荡器泵浦光功率波动和环境温度变化。对于环形腔结构的锁模激光器重复频率可以表示为：fr=c/nL，其中c为光速，n为振荡器介质的折射率，L为腔长。可以看出fr大小取决于腔长L和腔内介质折射率n。泵浦光变化会改变光纤中的反转粒子数，进而改变该光纤的非线性折射率，从而影响fr；光纤的折射率和长度都受到温度的影响，而光纤（二氧化硅）的热膨胀系数为5.5×10−7/℃，折射率温度系数为8.11×10−6/℃[14]，计算可以得到实验中振荡器的重频温度系数约为−860 Hz/℃，其中，光纤折射率n的变化是引起fr变化的主要因素。f0是脉冲的载波包络相位在频域上的表现，可以表示为f0=（
通过对泵浦光进行恒流恒温控制，泵浦光功率的抖动限制在0.1%以内。为了抑制由于环境温度变化引起的梳齿漂动，系统对振荡器采取严格的温控措施，并微调TEC温度来补偿fr与f0的慢漂。温控系统中包含两块独立工作TEC，其控制精度达到了0.02 ℃。振荡器光纤与一块薄铜片紧密贴合，再将该铜片放置于TEC2上。铜片良好的导热效果可以抑制增益光纤等发热区造成的局部热量不均匀现象。TEC1用来控制振荡器上方空气温度。TEC的反馈控制信号由锁相电路提供。其中，f0与参考信号RF2的误差信号用于控制TEC1，fr与参考信号RF1的误差信号用于控制TEC2。
2 测试结果与讨论 2.1 长期稳定运转的实现为了实现fr与f0的初步稳定，测试了fr、f0与TEC1、TEC2温度的关系，以及fr与f0在温控系统中的自由漂动情况。通过分析这些数据明确了利用反馈TEC温度稳定fr与f0的机制，最后通过反馈TEC温度实现fr与f0的初步稳定。
通过将一个TEC的温度设置为恒温23 ℃，调节另一个TEC的温度，测得了fr与f0两个频率与被调节TEC温度的变化关系。图2（a）中的蓝色曲线为fr与TEC1、TEC2温度的关系，红色曲线为f0与TEC1、TEC2温度的关系。可以看出，fr与f0随着TEC温度升高均表现为线性降低。相比于TEC2，TEC1对fr与f0的影响相对较弱。当TEC1的温度从18 ℃增加到25 ℃时，fr与f0分别降低了67 Hz和24.25 MHz；而TEC2从22.5 ℃增加到23.5 ℃时，fr与f0分别降低了917 Hz和39 MHz。主要原因在于振荡器光路是通过薄铜片直接贴合于TEC2上，而振荡器光路与TEC1未直接接触，是通过空气热传导进行温度控制。此外，对于f0信号来说，通过反馈TEC1可以实现更为精细的调节；对于fr信号来说，通过反馈TEC2可以实现更大范围的调节。fr与f0自由漂移的情况如图2（b）中的红色曲线所示，在监测的36 h内fr与f0漂移范围分别60 Hz和3 MHz。图2（b）中的黑色曲线显示了振荡器在自由运转状态下，对TEC1与TEC2进行反馈控制后，fr与f0信号频率漂移情况。在36 h时间内，fr与f0漂移范围始终分别被控制在±5 Hz和±300 kHz范围内。
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图 2 fr与f0变化曲线 Figure 2 The change of fr and f0 |
实验采用高带宽的PZT对fr进行锁定。带宽更高的PZT锁定范围小，但是其可以响应高频信号。在这里已经利用温控系统对fr进行了初步的稳定，fr的自由漂动范围被限制在10 Hz以内，不需要使用锁定范围大的PZT。采用的高带宽PZT最大伸缩量为7 μm、谐振频率150 kHz。通过锁相电路和温控系统的配合，实现了在170 h时间内，重复频率连续锁定，锁定结果如图3所示。图3（a）是fr锁定后的频率漂移情况，采用频率计数器（Tektronix，FCA3103）对频率进行监测，其对时间测量可以达到50 ps的单次分辨率。fr抖动始终保持在15 MHz以内，标准偏差为0.83 MHz，没有出现大的抖动，这是因为使用了高带宽的PZT锁定fr，其快速的响应时间可以很好地抑制外界干扰。图3（b）是相应的Allan方差，可以看出，在1，10，1000 s的采样时间下Allan方差分别为8×10−12，2×10−12和9×10−14。
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图 3 fr锁定结果 Figure 3 Locking result of fr |
通过f-2f拍频系统得到自由运转状态下的f0信号，采用频谱分析仪（Agilent Technologies，N9000A）对信号进行分析，该仪器测量频率范围为9 kHz~7.5 GHz，最小分辨率可以达到1 Hz。自由运转的f0信号频谱如图4（a）中红色曲线所示（光束宽度BW=100 Hz），半高全宽（FWHM）为5 kHz。将130 MHz附近的f0信号进行64分频，实现了在1 MHz的范围内对f0信号的精密锁定。图4（a）的黑色曲线为f0锁定后的频谱图，锁定后f0信号线宽从自由运转状态下的5 kHz降到1 Hz以下。采用频率计数器（Tektronix，FCA3103）对频率进行监测，采样时间为1 s，如图4（b）所示，在170 h的监测时间内标准偏差为280 MHz。
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图 4 f0锁定结果 Figure 4 Locking result of f0 |
文章通过精确控温的方式降低了自由运转状态下光梳fr和f0的漂移，锁定后f0信号线宽从5 kHz降低到小于1 Hz，频率抖动标准偏差为280 MHz，fr标准差为0.83 MHz。该光纤光梳系统在170 h测试时间内无失锁现象发生，为全光纤化光梳提供了一个可行的温控解决方案。
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