面向高速测量应用的单短光纤腔高重频差双光梳激光器
01 导读
过去二十年来，基于光学频率梳的精密测量技术经历了跨越式的发展，帮助着人类探索更多的微观过程与宏观宇宙。与经典的光梳测量系统相比，双光梳技术利用两套重复频率稍有差别的光频梳进行时域异步采样，实现频域多模外差干涉，从而大幅降低了信号检测所需的设备带宽和响应速度。然而，基于两台锁模光纤激光器的传统双光梳系统由于光纤振荡器的腔长限制，重频难以提升，且锁定系统复杂、成本高企；而基于单腔多维度复用的双光梳光纤光源，虽然结构简洁，具有本征的相干性优势，但难以做到高重频和重频差的参数指标。这大大限制了双光梳测量系统的采集率与精度，使其难以适用于诸多高速应用场景。南京大学徐飞教授团队利用保偏增益光纤的双折射特性，设计了紧凑的高双折射单短光纤激光腔结构，提出一种基于偏振复用的高重频、大重频差的单腔双光梳光纤激光器。仅用一根20 cm长的保偏增益光纤，实现了500 mhz重频、重频差＞ 120 khz的双光梳输出。该研究成果以“single-short-cavity dual-comb fiber laser with over 120 khz repetition rate difference based on polarization multiplexing”为题发表于optics letters，南京大学丁梓轩博士为论文的第一作者，徐飞教授为论文的通讯作者。
02 研究背景
双光梳技术只需使用简明的信号采集和处理系统即可做到大带宽、高分辨率、快速的光域精密测量，从而被广泛应用于光谱学测量、绝对频率测量、距离测量、泵浦探测等精密测量领域中。在经典的光梳测量系统中，双光梳通过两个独立的、重复频率（frep）稍有差别的锁模激光器来获得，需要复杂的光频梳反馈锁定系统、高昂的成本以及苛刻的工作环境来确保互相干性和稳定性。为了实现双光梳测量技术的现场应用和低成本推广，单腔双梳的构型被提出。基于波长复用、方向复用、光路复用以及偏振复用等方案，研究者们在同一激光谐振腔内实现了稳定的异步超短脉冲输出，从而获得了低系统复杂度的双光梳光源。
然而，基于这些复用技术的单腔双梳，重频通常都在几十mhz以内，其实现的重频差（δfrep）往往在几十hz到几khz的水平，这对于测量系统采集速度的进一步提升构成了挑战。在双光梳光谱分析系统中，采集时间t≥1/δfrep，可见更大的重频差能够有效降低采集时间。在双光梳测距系统中，双梳的等效采样率同时取决于重频和重频差，仿真表明，当双梳的光谱带宽一定时，每个重频都对应一个精度最高的最优重频差，而重频更高时相应的最优测距精度也进一步提高。重频达到200 mhz时，重频差最优值需要达到40 khz以上。大重频差对于双光梳测量的重要性可见一斑。
在本文中，我们提出了一种基于偏振复用的大重频差单腔双梳光源。利用保偏光纤的高双折射，我们在紧凑的全光纤腔内实现了最高近500 mhz高重频的矢量孤子锁模，输出的双光梳重频差超过120 khz，较以往的单腔双梳提升了超过一个数量级，对于实现全光纤、低成本、超紧凑的双梳光源，并提升测量系统采样率提供了新的解决方案。
03 创新研究
3.1激光器装置与双梳输出原理
传统被动锁模光纤激光器采用环形腔构型，为了集成光纤无源器件，腔长难以压缩。本工作为了进一步缩短腔长，提升激光振荡的重频，采用了线形腔的构型。激光器装置如图1(a)所示，对一段保偏掺铒单模光纤(pm-esf)的两个端面进行抛光，其中一个端面固定在半导体可饱和吸收镜(sesam)上，另一个端面固定在陶瓷插芯中。将一段单模光纤(smf)端面抛光并固定在插芯中，其端面周期交替镀上sio2和ta2o5薄膜构成分布式布拉格反射镜(dbr)，通过设计膜厚使其在1550 nm附近高反，在980 nm附近高透；镀膜光纤端面的显微照片如图1(b)所示。插芯固定的 pm-esf 端面和镀膜的 smf 端面通过陶瓷套筒紧密对齐。该组合构成了线性法布里-珀罗光纤激光腔，其中dbr和sesam起到腔镜的作用。如图1(c)所示，pm-esf为panda光纤，双折射可达3.4×10-4，如果两个正交偏振态都在该单短腔中锁模，则双折射引入的理想δfrep可由下式得出：
其中，c0是真空中的光速，l是fp腔长，nx和ny分别是正交偏振态的有效折射率，b = nx - ny是双折射。 δfrep与腔长l的关系曲线如图1(d)所示，可见如果腔长短于 3 cm，则δfrep值甚至可以超过 1 mhz。为了确保足够增益，实验中选用腔长为20 cm。
为了产生具有高重频差的双梳，974 nm 泵浦光通过波分复用器(wdm)注入腔内，偏振控制器(pc 1)用于控制泵浦的偏振，从而使得腔内的正交偏振态可以同时被激发和锁模。生成的双梳到达偏振分束器(pbs)后被分离，记为pol. 1 和pol. 2。二者分别使用光谱仪、自相关仪以及连接到示波器和频谱仪的高速光电探测器进行监测。
图1 (a) 单短腔双梳光纤激光器装置的示意图和照片；(b) 镀膜光纤端面和 ；(c) 保偏增益光纤端面的显微照片，比例尺为100μm；(d) 双折射线形腔模型中δfrep随腔长的分布。
3.2双频输出
实验中，当泵浦功率达到65 mw时，激光器实现自启动锁模。泵浦功率增加至262 mw，通过微调pc 1，激光器开始在双梳锁模状态下运行，同时产生两个具有不同重频的脉冲序列。图2(a)显示了双梳各自以及同时输出时的频谱信号。二者重频分别位于494.86622 mhz 和494.98777 mhz，重频差为121.55 khz。δfrep值与约20 cm的腔长匹配，同时测量的δfrep也与图1(d)中的计算结果很好地对应。通过调整pbs之前的偏振控制器，pol. 1重频分量的抑制比达到了19.6 db，而pol. 2达到了15db。二者同时输出时，两个重频分量都实现了超过70 db的信噪比。图2(b)中的示波器轨迹展示了双梳各自的脉冲序列，图2(c)则为双梳的光谱，均呈现典型的带有凯利边带的孤子包络。图2(d)为双梳各自的自相关轨迹。双梳的平均输出功率随泵浦的变化如图2(e) 所示。
图2 双梳输出。分别为两种偏振态单独输出及共同输出时的 (a) 射频谱、(b) 示波器时域轨迹、(c) 光谱以及 (d) 双梳的自相关轨迹；(e) 各偏振态的输出功率随泵浦功率的变化。此处pol. 1输出以蓝色曲线绘制，pol. 2为红色，共同输出为灰色。
3.3双梳相干性与稳定性
图3(a)显示了前述输出双梳的周期性干涉图。此外实验中还使用平衡光电探测器(bpd)测量了时域干涉。此处采用了重频为520.37 mhz的较短的光纤腔。图3(b)显示了时域干涉图，7.71 μs的干涉峰间隔表明δfrep为129.7 khz。图3(c)中傅里叶变换干涉图提供了相应的射频谱，光梳的光谱在射频域中成功重建，其中插图所示的局部放大图可以清楚地观察到间隔约为130 khz的射频梳齿。由单腔结构带来的共模抑制特性确保了射频梳的梳齿可分辨。
图3 双梳干涉图。(a) pd直接测量的时域干涉图；(b) bpd测量的时域干涉图及 (c) 相应的射频谱，其中插图是3.5 mhz宽度范围的局部放大。
图源: optics letters (2023)
为了测试双梳的稳定性，实验中通过频谱连续扫描来监测两个锁模脉冲串的重频和重频差。整个装置在自由运转条件下持续运行超过50分钟，由于热不稳定性，频谱信号的信噪比在20分钟到32分钟之间有所波动。使用水冷对激光器进行被动散热，图4(b)中的频谱演化图显示信噪比波动被抑制，其中提取出的重频和重频差数值波动如图4(c)所示，δfrep的为均方根波动低于0.11%。而在10分钟短时间运转测试中，δfrep的为均方根波动为0.07%，如图4(d)所示，显示出该光源在精度要求较低但速度要求更高的低成本测量场景中的应用潜力。
图4高重频差双梳的稳定性。(a) 自由运转双梳和 (b) 水冷双梳超过 50 分钟的射频谱演变；(c) 50分钟和 (d) 10分钟内水冷双梳的frep和δfrep波动监测。
04 应用与展望
本文展示了基于偏振复用的单短腔双梳大重频差全光纤锁模激光器。这一简洁的锁模光纤激光器装置利用保偏增益光纤的高双折射来产生具有高互相干性的异步脉冲序列，实现了高达 500 mhz的重频和超过120 khz 的重频差，较此前基于不同的复用方式的光纤单腔双梳具有数量级的提升。此外，单短腔构型更高的重频和更小的尺封装寸，意味着进一步提升重频差和实现双光梳激光器小型化的潜力，使其有望成为提高双梳测量应用采集速度的低成本解决方案。
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过去二十年来，基于光学频率梳的精密测量技术经历了跨越式的发展，帮助着人类探索更多的微观过程与宏观宇宙。与经典的光梳测量系统相比，双光梳技术利用两套重复频率稍有差别的光频梳进行时域异步采样，实现频域多模外差干涉，从而大幅降低了信号检测所需的设备带宽和响应速度。然而，基于两台锁模光纤激光器的传统双光梳系统由于光纤振荡器的腔长限制，重频难以提升，且锁定系统复杂、成本高企；而基于单腔多维度复用的双光梳光纤光源，虽然结构简洁，具有本征的相干性优势，但难以做到高重频和重频差的参数指标。这大大限制了双光梳测量系统的采集率与精度，使其难以适用于诸多高速应用场景。南京大学徐飞教授团队利用保偏增益光纤的双折射特性，设计了紧凑的高双折射单短光纤激光腔结构，提出一种基于偏振复用的高重频、大重频差的单腔双光梳光纤激光器。仅用一根20 cm长的保偏增益光纤，实现了500 mhz重频、重频差＞ 120 khz的双光梳输出。该研究成果以“single-short-cavity dual-comb fiber laser with over 120 khz repetition rate difference based on polarization multiplexing”为题发表于optics letters，南京大学丁梓轩博士为论文的第一作者，徐飞教授为论文的通讯作者。
02 研究背景
双光梳技术只需使用简明的信号采集和处理系统即可做到大带宽、高分辨率、快速的光域精密测量，从而被广泛应用于光谱学测量、绝对频率测量、距离测量、泵浦探测等精密测量领域中。在经典的光梳测量系统中，双光梳通过两个独立的、重复频率（frep）稍有差别的锁模激光器来获得，需要复杂的光频梳反馈锁定系统、高昂的成本以及苛刻的工作环境来确保互相干性和稳定性。为了实现双光梳测量技术的现场应用和低成本推广，单腔双梳的构型被提出。基于波长复用、方向复用、光路复用以及偏振复用等方案，研究者们在同一激光谐振腔内实现了稳定的异步超短脉冲输出，从而获得了低系统复杂度的双光梳光源。
然而，基于这些复用技术的单腔双梳，重频通常都在几十mhz以内，其实现的重频差（δfrep）往往在几十hz到几khz的水平，这对于测量系统采集速度的进一步提升构成了挑战。在双光梳光谱分析系统中，采集时间t≥1/δfrep，可见更大的重频差能够有效降低采集时间。在双光梳测距系统中，双梳的等效采样率同时取决于重频和重频差，仿真表明，当双梳的光谱带宽一定时，每个重频都对应一个精度最高的最优重频差，而重频更高时相应的最优测距精度也进一步提高。重频达到200 mhz时，重频差最优值需要达到40 khz以上。大重频差对于双光梳测量的重要性可见一斑。
在本文中，我们提出了一种基于偏振复用的大重频差单腔双梳光源。利用保偏光纤的高双折射，我们在紧凑的全光纤腔内实现了最高近500 mhz高重频的矢量孤子锁模，输出的双光梳重频差超过120 khz，较以往的单腔双梳提升了超过一个数量级，对于实现全光纤、低成本、超紧凑的双梳光源，并提升测量系统采样率提供了新的解决方案。
03 创新研究
3.1激光器装置与双梳输出原理
传统被动锁模光纤激光器采用环形腔构型，为了集成光纤无源器件，腔长难以压缩。本工作为了进一步缩短腔长，提升激光振荡的重频，采用了线形腔的构型。激光器装置如图1(a)所示，对一段保偏掺铒单模光纤(pm-esf)的两个端面进行抛光，其中一个端面固定在半导体可饱和吸收镜(sesam)上，另一个端面固定在陶瓷插芯中。将一段单模光纤(smf)端面抛光并固定在插芯中，其端面周期交替镀上sio2和ta2o5薄膜构成分布式布拉格反射镜(dbr)，通过设计膜厚使其在1550 nm附近高反，在980 nm附近高透；镀膜光纤端面的显微照片如图1(b)所示。插芯固定的 pm-esf 端面和镀膜的 smf 端面通过陶瓷套筒紧密对齐。该组合构成了线性法布里-珀罗光纤激光腔，其中dbr和sesam起到腔镜的作用。如图1(c)所示，pm-esf为panda光纤，双折射可达3.4×10-4，如果两个正交偏振态都在该单短腔中锁模，则双折射引入的理想δfrep可由下式得出：
其中，c0是真空中的光速，l是fp腔长，nx和ny分别是正交偏振态的有效折射率，b = nx - ny是双折射。 δfrep与腔长l的关系曲线如图1(d)所示，可见如果腔长短于 3 cm，则δfrep值甚至可以超过 1 mhz。为了确保足够增益，实验中选用腔长为20 cm。
为了产生具有高重频差的双梳，974 nm 泵浦光通过波分复用器(wdm)注入腔内，偏振控制器(pc 1)用于控制泵浦的偏振，从而使得腔内的正交偏振态可以同时被激发和锁模。生成的双梳到达偏振分束器(pbs)后被分离，记为pol. 1 和pol. 2。二者分别使用光谱仪、自相关仪以及连接到示波器和频谱仪的高速光电探测器进行监测。
图1 (a) 单短腔双梳光纤激光器装置的示意图和照片；(b) 镀膜光纤端面和 ；(c) 保偏增益光纤端面的显微照片，比例尺为100μm；(d) 双折射线形腔模型中δfrep随腔长的分布。
3.2双频输出
实验中，当泵浦功率达到65 mw时，激光器实现自启动锁模。泵浦功率增加至262 mw，通过微调pc 1，激光器开始在双梳锁模状态下运行，同时产生两个具有不同重频的脉冲序列。图2(a)显示了双梳各自以及同时输出时的频谱信号。二者重频分别位于494.86622 mhz 和494.98777 mhz，重频差为121.55 khz。δfrep值与约20 cm的腔长匹配，同时测量的δfrep也与图1(d)中的计算结果很好地对应。通过调整pbs之前的偏振控制器，pol. 1重频分量的抑制比达到了19.6 db，而pol. 2达到了15db。二者同时输出时，两个重频分量都实现了超过70 db的信噪比。图2(b)中的示波器轨迹展示了双梳各自的脉冲序列，图2(c)则为双梳的光谱，均呈现典型的带有凯利边带的孤子包络。图2(d)为双梳各自的自相关轨迹。双梳的平均输出功率随泵浦的变化如图2(e) 所示。
图2 双梳输出。分别为两种偏振态单独输出及共同输出时的 (a) 射频谱、(b) 示波器时域轨迹、(c) 光谱以及 (d) 双梳的自相关轨迹；(e) 各偏振态的输出功率随泵浦功率的变化。此处pol. 1输出以蓝色曲线绘制，pol. 2为红色，共同输出为灰色。
3.3双梳相干性与稳定性
图3(a)显示了前述输出双梳的周期性干涉图。此外实验中还使用平衡光电探测器(bpd)测量了时域干涉。此处采用了重频为520.37 mhz的较短的光纤腔。图3(b)显示了时域干涉图，7.71 μs的干涉峰间隔表明δfrep为129.7 khz。图3(c)中傅里叶变换干涉图提供了相应的射频谱，光梳的光谱在射频域中成功重建，其中插图所示的局部放大图可以清楚地观察到间隔约为130 khz的射频梳齿。由单腔结构带来的共模抑制特性确保了射频梳的梳齿可分辨。
图3 双梳干涉图。(a) pd直接测量的时域干涉图；(b) bpd测量的时域干涉图及 (c) 相应的射频谱，其中插图是3.5 mhz宽度范围的局部放大。
图源: optics letters (2023)
为了测试双梳的稳定性，实验中通过频谱连续扫描来监测两个锁模脉冲串的重频和重频差。整个装置在自由运转条件下持续运行超过50分钟，由于热不稳定性，频谱信号的信噪比在20分钟到32分钟之间有所波动。使用水冷对激光器进行被动散热，图4(b)中的频谱演化图显示信噪比波动被抑制，其中提取出的重频和重频差数值波动如图4(c)所示，δfrep的为均方根波动低于0.11%。而在10分钟短时间运转测试中，δfrep的为均方根波动为0.07%，如图4(d)所示，显示出该光源在精度要求较低但速度要求更高的低成本测量场景中的应用潜力。
图4高重频差双梳的稳定性。(a) 自由运转双梳和 (b) 水冷双梳超过 50 分钟的射频谱演变；(c) 50分钟和 (d) 10分钟内水冷双梳的frep和δfrep波动监测。
04 应用与展望
本文展示了基于偏振复用的单短腔双梳大重频差全光纤锁模激光器。这一简洁的锁模光纤激光器装置利用保偏增益光纤的高双折射来产生具有高互相干性的异步脉冲序列，实现了高达 500 mhz的重频和超过120 khz 的重频差，较此前基于不同的复用方式的光纤单腔双梳具有数量级的提升。此外，单短腔构型更高的重频和更小的尺封装寸，意味着进一步提升重频差和实现双光梳激光器小型化的潜力，使其有望成为提高双梳测量应用采集速度的低成本解决方案。
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