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近日，中科院上海光機(jī)所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在高重頻飛秒光學(xué)頻率梳光源方向取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了一種基于腔內(nèi)諧振濾波技術(shù)的GHz低噪聲九字腔摻鉺光頻梳。相關(guān)研究成果以“GHz figure-9 Er-doped optical frequency comb based on nested fiber ring resonators”為題發(fā)表在Laser Photonics Reviews上。

九字腔光纖光頻梳是目前技術(shù)成熟度最高的光頻梳技術(shù)之一，已被廣泛應(yīng)用于車載、星載、外場(chǎng)等非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，極大推動(dòng)了光頻梳相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展。重復(fù)頻率近GHz的光頻梳在雙梳測(cè)距、光譜檢測(cè)以及天文頻標(biāo)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但是，目前九字腔光纖光頻梳的重頻一般小于250MHz，其重頻的提升仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。由于非線性放大環(huán)鏡(NALM)鎖模技術(shù)需要一定長度的光纖來積累足夠的非線性相移差以啟動(dòng)鎖模，傳統(tǒng)的短諧振腔方案難以適用于九字腔的結(jié)構(gòu)。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)采用嵌套腔結(jié)構(gòu)（圖1），由兩個(gè)光纖耦合器熔接構(gòu)成的Fabry–Pérot(F-P)腔對(duì)外部NALM諧振腔進(jìn)行模式濾波。當(dāng)內(nèi)、外腔的自由光譜范圍精確匹配時(shí)，可將九字腔光纖光頻梳的重頻倍增至GHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該激光器具備優(yōu)異的脈沖自啟動(dòng)性能和長期穩(wěn)定性（圖2）。區(qū)別于高次諧波鎖模，嵌套腔方案可通過合理的內(nèi)腔參數(shù)設(shè)計(jì)，配合增益競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，來有效抑制超模噪聲，實(shí)現(xiàn)高相干、低噪聲的GHz重頻光頻梳。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)該光頻梳的載波包絡(luò)相位偏移頻率的測(cè)量，驗(yàn)證了其頻率梳齒分量間的高相干性（圖3）。該GHz重頻九字腔光纖光頻梳在激光雷達(dá)、雙梳測(cè)距、光譜檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1.基于嵌套光纖環(huán)形諧振腔的9字腔光頻梳裝置圖

圖2.單孤子狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行90分鐘的穩(wěn)定性:(a)測(cè)量光譜的時(shí)間演變，色條表示光功率譜密度。(b)重復(fù)頻率的變化。(c)典型光譜和(d) 80分鐘時(shí)的射頻頻譜。(e)輸出脈沖的典型自相關(guān)信號(hào)。

圖3.(a)基于f-to-2f的載波包絡(luò)偏移頻率檢測(cè)。 (b)在10 kHz RBW下自由運(yùn)行ceo拍頻信號(hào)。

該項(xiàng)工作得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)，國家自然科學(xué)基金，上海市自然科學(xué)基金的支持。