[论文解读] Optical frequency generation using fiber Bragg grating filters for applications in portable quantum sensing

C. D. Macrae, Kai Bongs+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的新型方法，用于在紧凑、免对准、单种子光纤激光器系统中实现敏捷、高带宽的光学频率生成。通过使用FBG滤波器抑制电光调制器产生的不需要的边带，该系统实现了40 GHz范围内50 ns的频率切换、0.5 W输出功率以及120 dB消光比的幅度调制，从而为铷原子干涉仪中的便携式量子传感应用提供了稳定、高性能的激光冷却与拉曼激发。

ABSTRACT

A method for the agile generation of the optical frequencies required for laser cooling and atom interferometry of rubidium is demonstrated. It relies on fiber Bragg grating technology to filter the output of an electro-optic modulator and was demonstrated in a robust, alignment-free, single-seed, frequency-doubled, telecom fiber laser system. The system was capable of 50 ns frequency switching over a ~40 GHz range, ~0.5 W output power and amplitude modulation with a ~15 ns rise/fall time and an extinction ratio of 120 $\pm$ 2 dB. The technology is ideal for enabling high-bandwidth, mobile industrial and space applications of quantum technologies.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、稳定且免对准的激光系统，用于便携式量子传感应用。
• 解决在基于铷的原子干涉仪与激光冷却中对快速、敏捷且相干的光学频率生成的需求。
• 克服以往单种子系统存在的局限性，如切换速度慢以及对不需要的光学边带抑制不足。
• 在无需光学快门的情况下实现高带宽、高消光比的脉冲生成，提升测量带宽与相干性。
• 展示一种可扩展的、光纤集成的解决方案，适用于移动及空间应用的量子技术。

提出的方法

• 利用单一1560 nm种子激光器结合电光调制器（EOM），生成双边带光学频谱。
• 采用中心波长可调的光纤布拉格光栅（FBG）滤波器，仅选择性反射所需边带，从而抑制载波及其他边带。
• 使用热控FBG，其调谐范围为50–60 GHz，反射带宽为50 MHz–50 GHz，实现对不需要频率成分的>20 dB抑制。
• 采用光隔离器将反射（滤波后）信号与输入信号分离，经频率倍频后在780 nm波段实现高效的单边带输出。
• 采用直接数字合成（DDS）技术实现快速射频相位与幅度控制，支持亚50 ns的频率与幅度切换。
• 通过在非线性晶体中进行和频生成，在1560 nm调制后经频率倍频，实现780 nm波段的高消光比幅度调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤布拉格光栅滤波是否能够在紧凑的单种子光纤激光器系统中实现高抑制、敏捷的单边带光学频率生成？
• RQ2 与以往采用法布里-珀罗滤波器或光学快门的单种子系统相比，基于FBG的滤波在切换速度与边带抑制方面能提升多少？
• RQ3 该系统是否具备足够的相位相干性与消光比，以实现对冷铷原子中高保真度的激光冷却与拉曼激发？
• RQ4 当增加更多FBG或利用EOM的高次谐波时，FBG滤波的性能如何扩展？是否可支持多个独立的光学输出？
• RQ5 通过调节种子波长与FBG参数，该方法是否可扩展至其他原子种类或量子系统？

主要发现

• 系统实现了在40 GHz范围内50 ns的频率切换，相比以往单种子系统，切换速度提升了4000倍。
• 单边带调制的上升时间为14.2 ± 0.3 ns，下降时间为16.4 ± 0.2 ns，支持高带宽脉冲生成。
• 测得的消光比为120 ± 2 dB，显著提升了脉冲序列中的信噪比与原子相干性。
• 在780 nm波段，对不需要的光学频率成分实现了约15.7 dB的抑制，通过增加额外FBG可进一步提升抑制性能。
• 成功观测到冷铷原子中的拉比振荡，证实了系统在原子态相干操控方面的有效性。
• 光学信号的相位噪声在20 kHz偏移以内与射频源保持一致，表明实现了高保真度的射频到光学频率转换，且无需锁相。