[论文解读] Comb-assisted coherence transfer between laser fields

Tommaso Sala, S. Kassi+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 11被引用 5

一句话总结

该论文提出一种基于光纤马赫-曾德尔单 sideband 调制器的前馈相干性传输方案，通过光频梳在 12 THz 带宽内将主激光器的相位/频率稳定性传输至从激光器。该方法在无反馈回路的情况下实现了整个梳状谱段的亚 kHz 相干性传输稳定性，适用于高精度光谱学。

ABSTRACT

Single mode laser fields oscillate at frequencies well outside the realm of electronics, but their phase/frequency fluctuations fall into the radio frequency domain, where direct manipulation is possible. Electro-optic devices have sufficient bandwidth for controlling and tailoring the dynamics of a laser field down to sub-nanosecond time scales. Thus, a laser field can be arbitrarily reshaped and in particular its phase/frequency fluctuations can be in principle removed. In practice, the time evolution of a reference laser field can be cloned to replace the fluctuations of another laser field, at a close-by frequency. In fact, it is possible to exploit a partially stabilized optical comb to perform the cloning across a large frequency gap. We realize this long-haul phase transfer by using a fibered Mach-Zehnder single-sideband modulator driven by an appropriate mix of the beat notes of the master and the slave laser with the comb.

研究动机与目标

• 在无反馈控制回路依赖的情况下，实现两个连续波激光器在宽频率范围内稳健且高带宽的相干性传输。
• 克服传统相位锁定回路的局限性，如控制带宽窄、易受环境扰动影响以及实现复杂。
• 开发一种简单、全光学的前馈技术，利用单个外部调制器，通过与同一光频梳的拍频信号，校正从激光器的相位抖动。
• 通过在高精细度腔增强光谱学中保持 12 THz 谱段内的相干性，证明其适用性。
• 在继承单个高稳定性主激光器相干性的同时，实现对广泛可调谐通信波段从激光器的灵活、高精度频率调谐。

提出的方法

• 将光纤马赫-曾德尔电光调制器（MZM）工作于单边带模式，在从激光束上生成相位校正的边带。
• 利用快速光电二极管检测主激光器与光频梳（OFC）之间的拍频信号，以及从激光器与OFC之间的拍频信号，并将其下变频至射频（RF）信号。
• 利用主激光器与OFC之间的RF拍频信号生成控制信号，驱动MZM，从而有效抵消光频梳的共模相位抖动以及主激光器与从激光器之间的相对相位抖动。
• 控制信号由两个拍频信号的混频获得，从而实现对光频梳引入噪声和激光间频率漂移的同步抑制。
• 该方案无需修改从激光器内部组件，避免了反馈稳定中常见的相位-幅度耦合问题。
• 使用窄带通滤波器从相邻梳齿模式中隔离出所需的拍频信号，尤其在梳齿间隔为 100 MHz 时尤为重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅使用单个外部调制器且无需反馈回路，在 12 THz 带宽内实现两台远距离激光器之间的相干性传输？
• RQ2 与传统相位锁定环系统相比，该前馈方案在动态范围、带宽和抗环境噪声干扰能力方面表现如何？
• RQ3 高稳定性主激光器的相干性在多大程度上可传输至通信波段的广泛可调谐从激光器？
• RQ4 该相干性传输方案的剩余相位噪声底限是多少？其在光频梳谱段内的变化趋势如何？
• RQ5 该方法是否可应用于高精细度腔增强光谱学中，而不会降低光谱分辨率或灵敏度？

主要发现

• 相干性传输在 12 THz 频率范围内实现了低于 1 kHz 的剩余相位噪声底限，证明了在整个光梳带宽内均实现亚 kHz 稳定性。
• 该方法成功抑制了光频梳的共模噪声以及主激光器与从激光器之间的差分噪声，实现了高保真度的相位传输。
• 即使在光梳边缘（198 THz）和主激光器频率（186 THz）处，系统仍保持相干性，且相干性传输质量无明显劣化。
• 由于无环路延迟和不稳定风险，其动态范围和控制带宽超过传统反馈系统。
• 该技术对环境扰动具有鲁棒性，且无需修改激光腔结构，避免了相位-幅度耦合问题。
• 在 100 MHz 光梳齿间隔下，系统有效控制带宽受滤波限制；但使用更宽间隔的光梳可实现超过 100 MHz 的控制带宽。