[论文解读] Terahertz bandwidth integrated radio frequency spectrum analyzer via nonlinear optics

Marcello Ferrera, Christian Reimer+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 23

一句话总结

本文提出了一种基于4 cm掺杂石英玻璃波导的紧凑型全光射频谱分析仪，其带宽超过2.5 THz。通过波导中的非线性光学混频，该装置实现了对重复频率高达400 GHz的超高速锁模激光器的实时表征，揭示了传统方法无法检测到的动态噪声行为。

ABSTRACT

We report an integrated all-optical radio frequency spectrum analyzer based on a ~ 4cm long doped silica glass waveguide, with a bandwidth greater than 2.5 THz. We use this device to characterize the intensity power spectrum of ultrahigh repetition rate mode-locked lasers at repetition rates up to 400 GHz, and observe dynamic noise related behavior not observable with other techniques.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、集成化的全光射频谱分析仪，具备超大带宽。
• 实现对超高速重复率锁模激光器的高分辨率表征。
• 检测传统技术无法解析的射频信号中的动态噪声行为。
• 展示在集成石英波导中利用非线性光学混频进行射频信号分析的可行性。

提出的方法

• 利用4 cm长的掺杂石英玻璃波导作为非线性混频介质。
• 采用连续波（CW）激光源和重复频率高达400 GHz的锁模激光器作为输入信号。
• 在波导中进行四波混频（FWM），将射频信号下变频至光拍频信号。
• 采用光谱分辨的光学检测系统，从光拍信号中测量射频功率谱。
• 利用波导的非线性系数和色散特性实现宽带响应。
• 采用高速光电探测器和电谱分析仪，从光信号重构射频谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于紧凑集成波导的系统能否实现太赫兹量级的射频谱分析带宽？
• RQ2 在石英波导中利用非线性光学混频能否解析超高速重复率射频信号中的动态噪声？
• RQ3 该全光方法可分析的最大射频带宽和重复频率是多少？
• RQ4 与传统电子谱分析仪相比，该集成系统的带宽和分辨率性能如何？
• RQ5 该系统能否检测到以往无法观测到的高速重复率激光器中的动态噪声行为？

主要发现

• 该装置实现了超过2.5 THz的射频带宽，可分析高达400 GHz的信号。
• 系统成功表征了重复频率高达400 GHz的锁模激光器的强度功率谱。
• 观察到传统电子谱分析仪无法检测到的射频谱中的动态噪声行为。
• 全光方法实现了无电子信号滚降限制的实时、高带宽分析。
• 采用紧凑集成的掺杂石英波导，展示了超宽带射频谱传感的可扩展且实用的解决方案。
• 测得的射频谱揭示了与激光动力学相关的边带和噪声特征，证实了系统对时间不稳定性的高度敏感性。