怎样得到稳定的光学频率梳？

——Vescent D2-125可重构伺服器

美国加州大学的Dr. Shu-wei Huang采用Vescent D2-125可重构伺服器实现了光学频率梳的稳定输出。

光学频率梳就像是一把拥有精密刻度的光尺，一般的仪器以毫米、毫秒为单位，而光学频率梳的精确度，在长度的测量上胜过纳米，在时间上则胜过飞秒、甚至达到阿托秒。

频率梳提供的是波长尺，可以在非常多的波长上进行精密的频域与时域校准，其精度是前所未有的。频率梳研究是下一代原子钟、天文观测、阿托秒光学物理、精密光谱测量、高速数据传输等领域的突破口。

稳定的光学频率梳出现以后，超精确测量得以实现。因此稳定光学频率梳的产生成为国内外专家学者的研究热点。

构建光学频率梳的关键一步就是稳定梳齿间隔，加州大学的高级研究员Dr. Shu-wei Huang采用Vescent D2-125可重构伺服器稳定了频率梳的梳齿间隔，其光学频率梳基于微腔激光器。

Dr. Shu-wei Huang采用窄线宽连续激光器泵浦克尔微谐振腔得到光学频率梳。该微谐振腔设计用于输出围绕1600nm泵浦波长17.9GHz的自由光谱。频率梳的两个自由度：梳齿间隔与载波包络相位频移分别独立锁相到两个微波合成器。微谐振腔的热容只有2×10-15 m3，梳齿间隔极易受到泵浦功率扰动、温度变化、光学准直漂移等技术性噪音的影响。因此，带宽500kHz以上的伺服循环对于稳定微谐振器频率梳的梳齿间隔是非常关键的。Dr. Shu-wei Huang详细介绍了他们是如何采用Vescent D2-125可重构伺服器实现了频率梳齿间隔的伺服循环。

图1

通过高速光电探测器（EOT，ET-3500）测量17.9GHz的梳齿间隔，并采用低噪前置放大器进行了放大。图2是解调后的梳齿间隔拍音信号，可见信噪比高于60dB，分辨率100kHz。该电学信号与微波合成器（Gigatronics 905）采用双平衡混频器（Pasternack PE8653）进行混频，缩混信号经过2.5MHz低通滤波（Minicircuits BLP-1.9+）后作为参考信号，反馈给PID伺服循环（Vescent Photonics D2-125）。

图2

为了得到最好的噪声抑制，他们将第一级积分器的频率设置为1KHz，第二级积分器的频率设置在200kHz。为了得到更加稳定的伺服循环，他们将衍生控制频率设置在500kHz，微分增益设置为10dB。伺服输出通过光纤光电调制器接收，以此来控制掺铒放大器（EDFA）的输入功率，EDFA是用来泵浦微谐振腔的。EDFA在电流控制模式下运行，输入调制可以直接转换成输出功率。对泵浦功率的调制是通过热扩散、热光效应、非线性相位累积来控制梳齿间隔的有效途径。图3展示了微谐振腔的光学频率梳自由运行（红色线）与稳定状态（黑色线）下的AC错误信号。

图3

由于光学准直的漂移，伺服输出的平均水平会持续增加，直到10分钟后失锁。因此，他们采用D2-125伺服器的第二路伺服输出进行了慢伺服。增益设置为1s，通过DIP选择增益系数。第二路伺服输出用于调制EDFA的驱动电流，这延长了数个小时的稳定锁定状态。

图4展示了在自由出射（黑色空心方块）与稳定梳齿间隔（蓝色实心方块）条件下的阿伦方差，可见梳齿间隔的主动伺服循环相比于自由出射提高了大于5个数量级的稳定性。

图4

D2-125在稳定驱动系统的伺服循环上有着非常优异的性能，还有客户用来做脉冲锁模光纤激光器的重频稳定及光纤激光器的主频及倍频的稳定。

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