基于嵌套光纤环形谐振腔的GHz9字型掺铒光频梳

Xin-Ru Cao, Jia-Qi Zhou, Zhi Cheng, Sha Li and Yan Feng, GHz figure-9 Er-doped optical frequency comb based on nested fiber ring resonators. Laser & Photonics Reviews 17(11): 202370053 (2023).

用于脉冲运转的嵌套谐振器的典型方案，如图1 a所示。它由一个产生激光脉冲的外部谐振腔和一个用于光频选模的内部谐振腔组成，形成一个双环谐振系统。为了实现稳定的脉冲运转，关键是要严格控制两个谐振腔的自由光谱范围匹配，使其共振峰重叠。自由光谱范围匹配原理示意图，如图1 b所示。内外谐振的两个自由光谱范围需要满足以下条件:

其中，f_int是指内部谐振腔的自由光谱范围，f_ext是外部激光振荡器的自由光谱范围或基本重复频率。变量n是一个整数，表示外部环路中循环脉冲的数量以及系统重复频率相对于外腔激光器的倍数。此外，为了保证单模滤波和抑制超模噪声，内部谐振腔的线宽必须短于外部谐振腔的模距。当满足这些条件时，内部谐振腔作为滤波器，可以有效地抑制超模且在内部光学腔的每个谐振中只允许一个频率存在。

式中，α为内腔损耗因子，A:B和C:D为两个光纤耦合器的分光比（A≥B；C≥D）。光纤耦合器的每个端口上都标示了耦合比。在接下来的实验中，内部光纤谐振器的总损耗估计约为0.5 dB，对应大约0.89的损耗因子值。假设外腔重复频率为82.5 MHz，T>0.78可以抑制超模噪声，保证重复频率增强为1 GHz情况下进行单孤子运转。考虑到损耗带来的线宽增加，研究人员选择了两个分光比为85:15的光纤耦合器，并将它们熔接在一起，形成如图2b所示的内部谐振腔。通过在光纤耦合器的一个端口注入脉冲序列，测量另一个端口的输出脉冲间隔，测量出自制光纤内部谐振器的自由频谱范围为907.5 MHz，如图2c所示。

9字型锁模光纤激光器的实验装置，如图2a所示。长23 cm的光纤环形谐振腔嵌套在锁模光纤激光腔内。激光腔体由非线性放大回路反射镜环路和以反射镜为末端的线性光纤臂组成，呈现传统的9字型结构。二者通过2×2保偏光学耦合器连接，在1550 nm处具有30:70的分光比。该镜安装在一个能提供1 μm精度的步进位移平台上。通过调节外腔长度，确保两个光纤谐振腔的自由光谱范围紧密对准。非线性放大环形镜环包括一个976/1550 nm保偏波分复用器、一个作为增益介质的保偏掺铒光纤、一块色散补偿光纤和一个产生线性相位偏置的非互易移相器。9字型光纤激光器的锁模机制得到了全面的解释。

值得强调的是，在所有类型的孤子中，色散管理孤子由于时间和频率之间的弱噪声耦合，具有最低的时序抖动和相位噪声。因此，在激光腔内插入一段色散补偿光纤，以产生色散管理孤子，并获得低噪声的光频梳。

实验中，使用商用仪器评估脉冲特性，包括射频频谱分析仪（26.5 GHz带宽）、实时示波器（2.5 GHz带宽）、频率计数器、相位噪声分析仪和带宽为25 GHz的光电探测器。采用分辨率为0.02 nm的高分辨率光谱分析仪记录光谱。此外，使用商用自相关器确定脉冲持续时间。

首先，研究人员对锁模光纤激光器在没有内光纤环形谐振腔的情况下的特性进行描述。在泵浦功率从135 mW到335 mW的范围内，单脉冲锁模运转是自启动的。通过调整腔镜位置，锁模激光的重复频率可以从81.9 MHz到82.8 MHz连续调谐。通过匹配两个谐振腔（82.4 MHz和907 MHz）相差11倍的自由光谱范围，产生所需的0.9 GHz光频梳。

在色散补偿光纤和移相器之间的位置，将内光纤环形谐振器综合到非线性放大环形镜环中。通过步进电机的扫描来调整外部振荡器中腔镜的位置，使两个腔的谐振峰重合。当泵浦功率为920 mW且自由光谱范围匹配时，实现了自启动单脉冲锁模工作。从连续波状态到单孤子输出的脉冲动态，如图3a-c所示。值得注意的是，当连续波条件下产生巨大的调Q脉冲时，高峰值功率脉冲会演化为时间间隔小于1 µs的稳定锁模脉冲。为了测试自启动的可重复性，将泵浦功率设置为固定值，并成功地保持了相同的期望状态，如图3d-h所示。被测量的脉冲序列时间间隔为1.1 ns，对应于23 cm长的内光纤环形谐振腔的脉冲往返时间。脉冲序列的均匀强度证实了它的高强度稳定性。

为了实现嵌套谐振器的长期自由光谱范围匹配，减少腔长的变化是至关重要的。为此，激光器被封闭在一个小的温控盒（300×160×70 mm³）中，确保激光器周围的环境温度波动在几天内保持在0.1 ℃以下。如图4a、b所示，在90分钟内光谱和重复频率的变化显示出单脉冲运转的长期稳定性。自由运行激光重复频率的标准差为28 Hz。在测量过程中，光谱保持一致。图4c显示了80 min时的采样光谱，在1530 nm的中心波长处呈现色散管理孤子特征。值得注意的是，该光谱的半高全宽测量值为15.5 nm，这比单个9字型振荡器脉冲的半最大全宽更窄。光谱变窄是由于嵌套谐振器中脉冲的峰值功率较低。尽管两种情况下的平均输出功率均约为4.5 mW，但它们的重复频率相差11倍。因此，脉冲的单脉冲能量和对应峰值功率存在一个数量级的差异。因此，当重复频率接近GHz时，自相位调制引起的光谱展宽要弱得多。

嵌套光纤环形谐振腔锁模脉冲的稳定性主要取决于内外谐振腔自由光谱范围的匹配程度。实验研究了自由光谱范围失配对锁模激光脉冲的影响，锁模运转的外腔长度的调谐范围约为700 nm。这比激光在温控箱中组装时的200 nm长期腔长变化要大得多。因此，如图4所示的长期稳定的锁模运行可以实现。

测量的脉冲重复频率为907 MHz，信噪比为75 dB（图4d），这表明脉冲具有高强度稳定性。图4中的插图显示了从0-6 GHz测量的频谱。除了907 MHz基峰及其高次谐波外，没有显示出另外的频谱峰。这表明内光纤环形谐振腔具有出色的模式滤波能力。如图4e所示，测量的自相关曲线呈现双曲正割形轮廓，半高全宽为326 fs，对应214 fs的脉冲宽度，反卷积系数为1.5。

此外，研究人员还测量了自由运转激光器的相对强度噪声，如图5所示。综合的相对强度噪声的均方根值为91 ppm（范围从100 Hz到1 MHz）。在无主动相对强度噪声抑制的自由运转锁模光纤激光器中结果出色。在144 Hz处观察到一个高尖峰，这是来自泵浦的相对强度噪声。泵浦的主动反馈控制可能会消除这个峰值，并进一步提高稳定性。对于频率高于100 kHz的脉冲，脉冲的相对强度噪声与锁模机制有关。得益于色散管理孤子的产生，在高谱范围内实现了低于-140 dB/Hz的相对强度噪声。

上述研究表明，被动温度控制足以实现连续数天的自由频率范围匹配。然而，对于像数周的长时间稳定运行，主动控制腔的长度可能是必要的。

强调激光腔内和腔外滤波模式的根本区别是很重要的。如图1b所示，由于滤波带宽的限制，在腔外进行滤波时，不可避免地会留下残留的侧模（绿线）。这种现象在天文梳中也可以观察到。它需要使用一个或多个外部级联的法布里-珀罗标准具对模式进行>90%的谱滤波，以产生梳距大于10 GHz的光学频率梳。然而，当光学共振嵌套在激光腔内时，可以有效地解决这一问题。由于增益也有助于选模，谐振滤波留下的小频谱尖峰可以通过增益竞争完全消除。这就是为什么能实现一个如图4d所示的纯滤波的频谱。

人们普遍认为，飞秒激光器的频率噪声与脉冲的重复频率呈二次关系。从噪声的角度来看，重复频率的提升是不利的。由于放大自发辐射限制和泵浦相对强度噪声诱导的梳线频率噪声都与增益有关，且当腔总长度小于20 cm（重复频率约为1 GHz）时，增益光纤占腔的很大一部分，因此，在较短的激光腔中很难实现具有低频率噪声的高重复频率的光频梳脉冲。然而，基于嵌套谐振腔的光学频率梳可以有效地解决重复频率和频率噪声之间的权衡。由于外腔是长腔结构，可以保持较低的梳线频率噪声。这种低噪声梳由内部谐振器进一步滤波，以实现较大的梳间距。因此，嵌套谐振腔可以产生具有高重复频率和低频噪声的光频梳脉冲。

为了验证嵌套谐振腔GHz光纤激光器在相位噪声中的优势，研究人员构建了另一个类似的9字型掺铒光纤激光器。该激光器为单谐振腔结构，重复频率为175 MHz。测量两种情况下自由运行重复频率的相位噪声，如图6所示。它们具有相似的噪声特性，175 MHz激光器的综合（100 Hz-1 MHz）残余均方根相位噪声为0.44 mrad，907 MHz激光器的综合残余均方根相位噪声为0.53 mrad。研究表明，与短腔方案相比，基于嵌套光纤环形谐振腔的光频梳可以在高重复频率下工作，而相位噪声没有明显增加。

总之，研究人员实现了一个基于嵌套光纤环形谐振腔的重复频率为0.9 GHz的9字型光频率梳。通过适当匹配外部和内部光学谐振腔的自由频谱范围，实现了重复频率从82 MHz到907 MHz的11倍增长。被动温度控制使单脉冲运转具有长期的自由光谱范围匹配。9字型掺铒光纤激光器可产生中心波长为1530 nm、光谱带宽为15.5 nm、脉冲持续时间为214 fs的光频梳脉冲。测量的综合相对强度噪声均方根值为91 ppm（范围从100 Hz到1 MHz）。梳偏移频率由f-to-2f波导模块检测，信噪比为30 dB。研究表明，与传统的短腔解决方案相比，由于双环腔的设计，嵌套腔可以产生具有抑制放大自发辐射限制的和泵浦相对强度噪声诱导的梳线频率噪声的超快光频梳脉冲。如此良好的噪声表现也来自于全保偏的9字型结构。该结构已被证明是面向空间应用的优秀光学频率梳源。这种紧凑、低噪声和符合空间要求的GHz光梳可以进一步开辟其应用领域，如基于光梳的多物种温室气体探测激光雷达、快速双梳测距和光谱学。