掺铒光纤飞秒光梳频率锁定研究

飞秒光梳可以直接实现光频到微波频率转换,广泛应用于时频和计量领域,掺铒光纤飞秒光梳因其良好的频率稳定性、鲁棒性和可搬运性而倍受科学家青睐.本文报道了对掺铒光纤飞秒光梳载波包络相移频率和梳齿频率的锁定,通过控制腔内色散方法,利用反馈泵浦驱动电流方法实现载波包络相移频率的锁定;利用控制光学腔长度的方法,通过反馈电光调制晶体...     

集成电光频率梳研究进展（特邀）

光学频率梳是由一系列离散且等间隔分布的频率成分所组成的光谱结构,作为光谱分析的天然刻度尺,其已广泛应用于光谱学、精密测量、光通信、传感等多个领域。光学频率梳根据其产生技术可分为基于锁模激光器的光学频率梳、克尔微腔光学频率梳、电光频率梳。电光频率梳由于其频率间隔可调、梳齿功率较高、可实现微波到光波的转换等优势,得到了充分发展。但传统电光频率梳的产生器件存在体积大、功耗高的缺点,限制了其进一步应用。随着微纳加工技术的不断发展,越来越多的材料应用于片上集成光学器件,包括硅、氮化硅、氮化铝、磷化铟、铌酸锂、砷化铝镓等。集成电光频率梳器件具有体积小、功耗低等优势,是构建光电集成芯片的重要器件。文中旨在对集成电光频率梳的研究现状进行综述,首先介绍光学频率梳的类型,并详细论述电光频率梳的产生机制;其次介绍产生集成电光频率梳的材料平台、相应的光梳性能指标及其应用;最后基于目前集成电光频率梳领域存在的问题,对未来的研究趋势做出展望。     

使用级联相位调制器和强度调制器产生平坦光学频率梳的方法

光学频率梳在光通信、光谱学等领域有广泛的应用。平坦度是光学频率梳重要的性能指标。使用级联相位调制器和强度调制器产生光学频率梳的方法，是让叠加的谐波驱动调制器，通过调节驱动电信号的幅度和相位以及强度调制器的偏置电压，可以实现平坦度好的光学频率梳。首先，建立光学频率梳的优化问题模型，通过差分进化算法得到上述各个参数，并得到在不同叠加微波驱动信号下的平坦光学频率梳。其次，固定某一微波驱动信号的相位，在同一优化问题下使用同样方法得到微波驱动信号的其他参数，并分析生成的平坦光学频率梳性能。最后，搭建实验系统，根据仿真得到的优化参数确定实验参数，并得到相应的光学频率梳。研究表明，当采用基频和三次谐波驱动相位调制器、采用四次谐波驱动强度调制器时，可以产生13根谱线的光学频率梳，仿真和实验时的平坦度分别为0.27 dB和0.83 dB。当采用基频、三次谐波和五次谐波同时驱动相位调制器和强度调制器时，可以产生19根谱线的光学频率梳，仿真显示其平坦度为0.56 dB。以上仿真和实验结果证明了所提方法的可行性和鲁棒性。     

面向超宽带信号处理的光频梳产生技术

针对未来电子信息系统对超宽带信号高速并行处理的需求,提出了一种可应用于光子超宽带信道化处理的相干光频梳产生方法,利用非线性效应实现高重频多梳齿的相干光频梳产生,并且重频及重频差可调谐。通过级联电光调制器产生初始相干光梳,对波分解复用选定的种子梳齿进行注入锁定,并通过非线性光纤、单模光纤及色散平坦光纤的组合模块对锁定后的梳齿复制和展宽,得到了80 GHz和79.4 GHz高重频、平坦度3 dB以内20根梳齿的相干光频梳,能够实现Q/V频段超宽带信号的接收处理,为综合射频一体化、大容量卫星通信等应用宽频段覆盖、大瞬时带宽射频信号的接收处理提供支撑。     

飞秒光学频率梳在精密测量中的应用

飞秒光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率至微波频率基准,在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光,在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。飞秒光学频率梳作为微波频率与光学频率的桥梁,可以实现对激光频率的直接精密计量,同时作为一种有别于传统连续波稳频激光的特殊激光光源,在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用。综述了飞秒光学频率梳在若干光学精密测量应用中的研究进展、关键技术和研究动向,分析了其在未来光学测量中的重要作用。     

固体激光高重复率电光Q开关研究

对光学晶体的电光效应进行了深入地分析,应用谐振腔原理研制出折叠循环腔式高重复率电光开关.在电光晶体上施加小振幅的调制电压,可获得高重复率窄脉冲光信号,调制频率可达到60～100 MHz.这种电光开关可应用于电光Q开关、电光调制器、计数器等.     

基于四次乘方射频信号和级联MZM的梳线可调的光学频率梳

提出了一种基于四次乘方射频(radio frequency,RF) 信号和级联马赫- 曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator,MZM)的梳 线可调的光学频率梳(optical frequency comb,OFC)产生方案。利用乘方运算电路对正弦RF信号进行运算 耦合,产生的乘方RF信号驱动级联的MZM,调制器对输入光进行调制,从而产生梳线数可 调的平坦 OFC。建立了乘方RF信号驱动级联MZM产生OFC的理论模型,利用OptiSystem软件对其性能 进行了 研究。结果表明,OFC的梳线间隔是RF信号源频率的2倍,可调谐并且拓展了频谱带宽;产 生OFC的 目标梳线数是基准调制电压的4倍,实现了梳线数可调谐;调节MZM上下支臂的调制和偏置电 压差为确 定的优化值,可以使不同目标梳线数的OFC平坦度均小于0.95 dB。     

基于空间光腔的高功率布里渊频率梳

光学频率梳作为精确的光谱工具,在光学原子钟、激光频率计量、精密光谱测量等领域具有广泛的应用。提出了一种基于空间光腔的布里渊光学频率梳振荡器,利用金刚石晶体作为增益介质,在1μm波长双通泵浦的拉曼腔中有效激发了受激布里渊散射和四波混频效应,获得了中心波长为1.2μm、稳态功率为101 W、梳齿间隔为71 GHz的布里渊频率梳输出,对应的最高阶次为23、带宽达1.55 THz。该功率为已知布里渊频率梳的最高功率,相较于微腔结构提升了4个数量级以上。所提方案为实现具有特殊波长的连续波高功率光学频率梳提供了新的技术路径。     

基于电光调制光频梳绝对测距的理论及实验分析

为满足高精度、大尺寸、高动态的测量需求,提出一种基于光学频率梳方法的绝对测量方案。采用级联相位调制器和强度调制器的电光调制方法生成平坦的光学频率梳,可以实现频率的直接溯源,成本低且易于复现。实现了对数学模型的建立及生成质量的评估,并且将其应用于改进的多波长测距系统中。该系统实现了对传统的多波长测量系统的简化,通过解算出合成波长的相位信息实现了对绝对距离的测量以及对测量过程中噪声和不确定度的分析。     

集成铌酸锂光子器件技术的研究进展

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)具有透光光谱宽,折射率高,二阶非线性高及压电响应大等优点,是一种重要的集成光子学基础材料。LNOI材料具有亚波长尺度的光约束和光电器件的高密度集成能力,能够实现具有更高性能、更低成本的全新器件及应用,给光通信和微波光子学带来革命性的变革。该文重点综述了LNOI的制备技术、LNOI电光调制器、LNOI声光调制器和LNOI电光频率梳的最新研究进展,简要讨论了铌酸锂光子器件在制作工艺和系统实现中面临的挑战。     

双光频梳辅助的微波频率测量方法北大核心CSCD

为实现大频率范围内多微波频率的高精度即时测量,提出了一种基于双光频梳和法布里-珀罗滤波器(Fabry-Perot filter,FPF)的微波频率测量方案。将待测微波信号通过单边带调制加载在一路光频梳上进行频率复制,再将调制后的光信号通过一个法布里-珀罗滤波器进行信道分割。FPF的输出信号和另一路光频梳耦合后通过光解复用器实现信道化接收。通过设置合适的系统参数,可使得每个信道输出的拍频信号在同一窄带中频频段内。基于频率-光功率映射的原理,通过判断信号的存在性即可确定未知信号所处的频率段,实现信号频率的粗估计。通过对目标信道输出的微波信号进行采样、模数变换和信号处理可实现未知信号频率的高精度测量。通过实验仿真验证了所提方案的有效性,频率测量误差在±2.5 MHz内。     

高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子（Q值）和非线性光学微腔产生的光学频率梳（微腔光频梳）在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式（WGM）微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度（Finesse）,能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳（CO₂）激光器熔融氧化硅（SiO₂）石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围（FSR）在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO₂微腔中验证了基于非线性克尔（Kerr）效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO₂微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。     

原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频

为降低拉曼激光的频率噪声,提出了一种相位-频率双调制稳频技术。用光纤电光相位调制器对激光进行调制并产生大失谐边带;用射频信号对光纤相位调制器的微波驱动信号进行频率调制,通过锁相放大法将一个大失谐边带锁到铷原子的饱和吸收谱线上。利用该技术实现了拉曼种子激光的稳频和2 GHz的移频,拉曼激光的线宽大幅压窄到56 kHz,预期拉曼激光频率噪声引起的原子干涉重力仪的单次测量噪声可降低到7×10-9/s2。     

北京大学研制成功重复频率330MHz掺镱光纤飞秒激光器

基于光纤飞秒激光器的光学频率梳是频率梳发展方向。但光纤激光器受光纤长度的限制,重复频率,即光梳的梳齿频率间隔不容易做得很大。在掺铒光纤激光器中相对容易产生高重复频率锁模脉     

基于级联MZM光学回路产生高性能微波频率梳

为产生高性能微波频率梳(MFC),基于级联马赫-曾德尔调制器(MZM)光学回路系统,提出一种利用光梳外差法产生可调谐MFC的方案。将连续光通过耦合器注入到级联MZM光学回路中调制,最终产生光学频率梳(OFC),再将生成的OFC在光电探测器中拍频获得MFC。对该方案建立了理论模型,利用光通信系统设计软件Optisystem研究了光源功率、光源线宽和射频驱动信号(RF)频率等参数对输出MFC的性能的影响。结果表明,合理地调节光源、RF等器件参数,可以获得带宽为300 GHz、平坦度为0.12 dB、功率达22.49 dBm的MFC。该方案结构简单,易于实现,通过调节RF信号的频率,就可以得到梳距可调谐的MFC。     

基于级联调制器的光梳的平坦度理论研究

建立了基于强度调制器(IM)和相位调制器(PM)级联的光梳理论模型,通过仿真计算分析了光梳的平坦度与IM的偏置点βIM、IM的调制系数χIM,以及IM和PM的驱动信号相位差△(Φ)之间的关系.结果表明△(Φ)的优化取值为π的整数倍,并且与其他参数的取值无关;而βIM、χIM的优化取值存在线性关联关系,随着梳齿数目的增加,χIM的优化取值不断向0靠近,βIM的优化取值对应地不断向π靠近.研究结果为基于级联调制器的光梳优化控制提供了理论依据.     

基于级联外部调制器产生宽光梳系统的研究

本文研究了基于双边带调制方式采用级联两个强度 调制器(MZM)或级联MZM和相位调 制器(PM)分别生成平坦宽光梳的两种方案。通过理论分析得到合适的调制器关联变量-调 制电压和偏置电压的关系。在此基础上,我们分别讨论了高阶边带以及相位偏转对两种方案 产生宽光梳平坦度的影响。两种方案如果要达到相同的平坦度,级联相同MZM所输出的光梳 频带宽度可高达500 GHz,比级联MZM和PM的输出频带更宽;如果两种 方案在相同的输出光梳 频带宽度(300 GHz)下,级联MZM的平坦度可以达到0. 2 dB,而级联MZM和PM系统的平坦度只 有2.1 dB。因此级联两个强度调制器产生的宽光梳在光梳平坦度方面 性能更为良好。这为产生平坦光梳及调制器的灵活运用提供了一种解决方案。     

基于微腔光梳的低相噪微波信号产生(特邀)

低相位噪声微波信号在通信、雷达、时频计量、深空探测等领域中不可或缺,光子学微波信号产生近年来发展快速,有望在载波频率、调谐性、相噪、可集成、功耗等多个方面突破传统电子学微波信号产生瓶颈。早期的光生微波系统复杂,激光器以及相关稳定设备体积庞大,难以在实验室以外的场所应用。近年来,基于微谐振腔的光学频率梳的迅速发展,凭借其低损耗、小体积、强稳定的优势,基于微腔光梳的微波光子学应用吸引了研究者们的广泛关注,其中基于微腔光梳的光生微波系统得到深入研究。文中将综述国内外近10年来基于微腔光梳的低相噪微波信号产生发展状况,并对基于微腔光梳的光生微波系统在未来应用中的主要挑战与发展趋势作以展望。     

全保偏掺铒光纤光梳

搭建了基于非线性放大环形镜的全保偏掺铒光纤激光器,它可为光梳系统在室外环境中的应用提供稳定运行的光学振荡源。在实验上,通过两级光学预放大及高非线性光纤获得了1000~2300 nm的超连续谱,采用共线型f-2f干涉仪检测到的载波包络偏移频率f0的信噪比高达35 dB。研究了腔内净色散和f0线宽的关系,并将自由运转状态下的f0线宽窄化至5 kHz。将光梳系统的主要参数(重复频率fr和载波包络偏移频率f0)溯源至同一台铷原子钟,锁定后所测标准偏差分别为780μHz和308 mHz。该光纤光梳系统具有集成度高、体积小的特点。     

基于光学频率乘法器的THz通信载波研究

为解决THz波无线通信系统载波存在的频率稳定性及精度问题,提出基于光学频率乘法器的THz载波产生方法.该乘法器由光梳信号生成器、光学可调滤波器和UTC-PD光学混频器组成.光梳信号和可调光纤进行光学频率相乘产生双模相干光信号,通过UTC-PD进行光外差混频产生高频率和高饱和输出功率的THz载波,并对载波的线宽、单边带相...