赵春勃，姚嘉丽，汪会波，拓卓越，杜二旺，贺玉玲，蒙艳松
(1.中国空间技术研究院 西安分院，西安 710100；
2.空间微波技术重点实验室，西安 710100)
光学频率梳是一种频率和相位精密锁定的锁模脉冲激光器，其时域表现为等间隔的飞秒脉冲串，频域上表现为等间隔的频率梳齿，时域-频域通过傅里叶变换紧密联系。光学频率梳是超快光学与时频技术相结合的一项重大技术突破，它革命性地建立了光学频率与微波频率之间相位相干的联系[1]，极大地推动了光学频率精密测量、光学原子钟、超高精度光学时频传递、光生超稳微波、微波光子学、高通量激光通信、引力波探测、光谱标定等新技术的诞生和发展[2-4]，该成果于2005年获得了诺贝尔物理学奖。
光纤光学频率梳具有高集成结构、高成本效益、易操作性和衍射极限的光束质量等优点[5]，被认为是大规模商业应用和空间应用的候选之一。光纤激光器主要的锁模机制包括真实可饱和吸收体(SA)、非线性偏振旋转(NPE)和非线性放大环形镜(NALM)[6]。大多数选择 NPE锁模机制的光纤光学频率梳，其可以实现高水平的性能指标，且振荡器一经调节即无需再频繁调整[7]。然而，NPE锁模对光纤传输中偏振旋转的依赖性以及腔内光学器件的使用，导致了其对环境扰动的敏感性[8]。因此，基于NPE的光纤激光器至今尚未成为实验室以外应用场景下的首选。
近年来，全保偏NALM锁模光纤激光器在非线性环形镜(NOLM)的基础上做优化，已引起了广泛的关注，这种激光器指的是增益光纤非对称放置的光纤环形镜。在上述锁模技术中，全保偏NALM光纤激光器的优越性已得到充分验证，如良好的自启动性能，出色的环境稳定性以及低的固有噪声[9]。通常，NALM通过引入非互易相位偏置来实现自启动性能[10]。为了得到更加简化的构型和更加优异的性能，所谓的“9”字腔激光器得到了迅速发展[11-12]，该类激光器是NALM结构之一，因其光纤连接的几何结构类似数字“9”的形状而得名。综上，现有的光学频率梳技术为许多极具前景的空间应用奠定了基础，例如未来卫星导航系统的高精度光学原子钟[13]、星间双向时频传递、精密的星间测距[14-15]或有关时空研究的基础物理实验[16-17]等。面向空间的光学频率梳，对系统集成度、可靠性和能量利用率提出了严苛的要求。值得关注的是欧洲航天局已于2016年、2021年分别在FOKUS I以及后续的FOKUS II项目中实现了对空间环境下光纤频率梳的技术验证[18-19]。
本文主要报道了光学频率梳的研究进展。我们在理论上建立了反射型和透射型两种情况下非互易相移器的数学模型，在实验上搭建了基于有相位偏置的“9”字腔NALM锁模光纤振荡器，输出了重复频率为46 MHz，脉宽为527.73 fs的脉冲序列。通过两级放大，调节两泵浦二极管激光器的驱动电流，实现了平均功率大于180 mW的信号输出。随后通过保偏单模光纤(PM-SMF)对放大后的脉冲进行压缩，并利用一段高非线性光纤(HNLF)展宽光谱产生了跨倍频程的超连续谱(SC)。最后，通过共线型f-2f干涉仪探测得到信噪比约35 dB的偏频载波包络频率信号fceo，为下一步实现光学频率梳的整体频率精密锁定奠定了良好的基础。
为了实现基于非线性放大环形腔镜的“9”字腔的锁模激光器，需要研究设计非互易相移结构来增大初始环路顺时针和逆时针的相移差[11-12]，从而降低锁模阈值，实现自启动，并且利于提高重复频率。因此非互易相移器是研究“9”字腔锁模激光器的核心之一，本文从理论上建立了两种常用结构的数学模型，并根据此原理分别设计了相应的光纤集成的非互易相移器。
1.1 反射型非互易相移的原理
图1 反射型非互易相移结构
(1)
(2)
1.2 透射型非互易相移的原理
透射型非互易结构如图2所示，其中法拉第旋转器FR1和FR2分别实现偏振面逆时针和顺时针旋转45°的作用，λ/4波片的快轴相对于水平方向逆时针旋转45°。
图2 透射型非互易相移结构
(3)
从右到左入射则有
(4)
同样分析可知，光经传输后偏振方向不变，相位却变为eiφ2。根据所使用的波片为λ/4波片，容易知道Δφ0=φ1-φ2=±π/2。因此，采用法拉第旋转器和波片的组合能够产生非互易的相位偏置。
光纤光学频率梳的光学单元实验系统如图3所示，主要包括光纤振荡器、光纤放大器、脉冲压缩和光谱展宽以及共线型f-2f自参考干涉仪四个部分。除f-2f干涉仪外，系统均采用了保偏光纤结构，具有易于搭建和集成，抗干扰能力强，稳定性好等优点。
注：LD：激光二极管；
WDM：波分复用器；
CP：耦合器；
EDF：掺铒光纤；
ISO：隔离器；
SMF：单模光纤；
HNLF：高非线性光纤；
COL：准直器；
HWP：半波片；
PPLN：周期极化铌酸锂；
BPF：带通滤光片；
PD：光电探测器
基于NALM锁模机制的“9”字形光纤激光器，利用光纤环内双向传输的光脉冲的干涉效应实现类可饱和吸收效应。NALM环内往返的透射率取决于两束光的相移差，相移差可以通过设置构成环形镜的光纤耦合器(CP1)的分束比、增益光纤的非对称放置以及非互易相移结构提供的相位偏置量来获得。上述非对称因素的引入极大增强了振荡器的锁模自启动功能，同时提高了重复频率的上限。
作为NALM的关键器件，实验中CP1的分束比为50∶50，相向传输的两束光在该处发生干涉。尽管该比例下耦合器无法引入非线性相移差，但却能使得Sagnac环具有更好的开关特性和滤波效应。在NALM环形腔中，中心波长980 nm的激光二极管(LD1)通过980/1 550 nm波分复用器(WDM1)注入到117 cm长的保偏掺铒光纤(PM-EDF)(Er80-4/125-HD-PM,LIEKKI)。集成的光纤反射式非互易相移结构包括45°法拉第旋转器(FR)和λ/8波片，为环路提供π/2的非互易相位偏置。另一个分束比为90∶10的耦合器(CP2)为振荡器提供了实时监测和用于后续信号放大的输出端口(output1 &output2)。而NALM的另外两支路，上支路为激光器输出端口之一(output3)，下支路连接一个光纤反射镜，光经反射后返回CP1并被分束为在环形腔内相向传输的两路光。
超短脉冲的功率放大通过两级LD泵浦PM-EDF实现，具体包括1 550 nm隔离器(ISO1 &ISO2)，980 nm泵浦激光器(LD2 &LD3)，980/1 500 nm WDM(WDM2 &WDM3)以及两段EDF光纤(Er80-4/125-HD-PM,LIEKKI)，长度分别为35 cm和110 cm。为了进一步提高脉冲峰值功率，放大器后熔接一段1 550 nm PM-SMF实现脉冲宽度的压缩，紧接着脉冲注入到PM-HNLF中产生跨倍频程的SC。经过充分的光谱展宽，SC中的长波成分通过f-2f干涉仪中的掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体(MgO：PPLN)实现非线性倍频[20]。此处使用的PPLN晶体为扇形光栅结构，渐变周期覆盖30.0～34.0 μm，通光尺寸为9.3×1 mm，厚度为5 mm。PPLN晶体的两通光面均镀有1 000～1 100 nm和2 000～2 200 nm的增透膜系。通过这种方式，来源于SC中两种频率成分的短波成分发生干涉，最终拍频产生振荡器的偏频信号fceo并由光电探测器(PD)收集探测。此外，f-2f干涉仪还装配有消色差半波片(HWP)、消色差透镜(Lens1，Lens2 &Lens3)以及中心波长1 050 nm的带通滤光片(BPF)，这些光学器件都有利于提升拍频信号fceo的信噪比(SNR)。
光纤振荡器中，PM-EDF具有0.028 4 ps2/m的正二阶色散，WDM及其他保偏光纤器件的尾纤均为反常色散，群速度色散值分别为-0.014 7 ps2/m和-0.023 3 ps2/m。因此，通过计算可知腔内净色散约为-0.040 5 ps2，这意味着激光器工作在孤子锁模域。实验中，我们通过施加较大的LD驱动电流实现光纤振荡器的锁模自启动，并在观测到脉冲序列的产生后逐渐降低LD驱动电流，直至振荡器输出信号为一系列稳定的单脉冲信号。当LD输出光功率为150 mW时，振荡器三端口的平均功率分别为1.03、2.78和5.70 mW。光纤振荡器的谐振腔长约4.5 m，相应探测到重复频率约为46 MHz。
图4是通过光谱仪(wave scan USB，A.P.E.)测量的振荡器三端口输出脉冲的光谱图，光谱仪波长探测范围为1.5～5 μm。由测量结果可知，三端口输出脉冲的光谱3 dB带宽分别为11.4，15.8和14.4 nm。考虑三端口输出光谱噪声水平相当，我们最终选择光谱3 dB带宽最宽，光谱形状平滑且输出功率较大的output 2端口作为后续放大的信号输出端口。另外两端口则可用于对腔内锁模状态的实时监测，以及振荡器重复频率的信号探测和反馈控制[21]。此外，图5显示了通过商业自相关仪(pulse check，A.P.E.)测量得到的脉冲持续时间的半高全宽(FWHM)，利用双曲正割拟合可计算得脉宽约为527.73 fs。
图4 输出脉冲的光谱图
图5 output3输出端口的脉冲自相关曲线
通过调节两级放大中LD2和LD3的驱动电流，实验中获得的最大输出功率可达180 mW以上，对应的单脉冲能量超过4 nJ。对于所采用的正色散EDF放大器，脉冲在被放大的同时，还会在正色散、增益和非线性的共同作用下被展宽光谱。如图6所示，当两级放大的泵浦功率分别被设置为330 mW和650 mW时，可观测到明显的光谱展宽现象。
图6 通过放大器后的光谱图
为了获得尽可能高的峰值功率，在脉冲注入HNLF前首先应当通过色散补偿调节脉冲宽度。由于两级放大采用了正常色散的增益光纤，输出脉冲携带有线性正啁啾，因此将一段具有反常色散的SMF放置于放大器后，可将脉冲宽度压缩至73.23 fs，如图7所示。随后通过光纤熔接，脉冲耦合到PM-HNLF中。椭圆纤芯的PM-HNLF的非线性系数为10.7 W-1km-1，1 550 nm处色散系数为2.0±1.0 ps/(nm·km)，有效模场面积为12.5 μm2。
图7 对放大后脉冲的脉宽进行压缩后测得的自相关曲线
由于光谱仪的波段限制，SC中仅有超过1 500 nm的光谱成分才能被观察到，但如果将输出光通过一个中心波长为1 050 nm的BPF，能够在近红外观察卡(VRC5，Thorlabs)上观察到明显的光斑。因此我们可以确认SC的确实现了跨倍频程，满足f-2f拍频信号探测的前提条件。
为了优化拍频信号的SNR，除脉冲本身的参数外，探究合适的PM-HNLF长度，以及两级放大的泵浦驱动电流，使得SC中f和2f成分尽可能强是十分关键的。图8展示了我们实验中得到的SC，此时f成分(～2 100 nm)具有峰值，PM-HNLF长度为100 cm，振荡器和两级放大的泵浦功率分别设置为100、300和650 mW。
图8 PM-HNLF后的跨倍频程光谱
在PM-HNLF之后，超连续谱通过光纤准直器调整为平行光输出，入射到共线型f-2f干涉仪中。实验中的f-2f装置结构简单、f和2f两种成分具有良好的时空重合度且相对易于补偿。HWP和Lens1可调节脉冲入射到PPLN晶体时，波长为2 100 nm的f成分的偏振态和焦点位置，以获得更好的倍频转换效率。Lens2和Lens3分别实现光束的准直和聚焦。此外，BPF将SC中短波成分和倍频产生的1 050 nm光滤除出来，二者在探测器上拍频即可得到fceo。图9展示了频谱仪分辨率带宽为100 kHz时，探测到的SNR约为35 dB的fceo信号，这意味着我们的实验装置满足锁相环路的要求，具备了光学频率梳光学部分的系统性能。
图9 分辨率带宽设置为100 kHz时，获得SNR为35 dB的自由运转的fceo拍频信号
由于实验采用的是空间结构的f-2f干涉仪，利用光纤准直器将光从光纤耦合进自由空间时，需在PM-HNLF后熔接一段PM-SMF跳线以提供连接到准直器的光纤端头。在优化过程中我们发现，当跳线长度为32 cm时(图9对应跳线剪短到12 cm时的测量结果)，此时尽管可以观察到fceo信号，但其SNR不足10 dB。这是由于f和2f两种光谱成分在光纤中传输时存在群速度延迟，过长的SMF跳线会引入非必要的时间失配。因此我们认为在后续研究中使用色散补偿光纤(DCF)或是定制的HNLF跳线能够探测得到SNR更优的fceo信号。
本文介绍了全保偏掺铒光纤频率梳光学部分的验证工作。在理论上建立了反射型和透射型两种情况下非互易相移器的数学模型，在实验上构建了基于具有相位偏置的“9”字腔NALM光纤振荡器，输出了重复频率为46 MHz的脉冲序列，通过两级单端泵浦的光纤放大器，振荡器的输出功率可从2.78 mW提高到180 mW以上，随后的PM-SMF将放大后的脉冲宽度压缩至73.23 fs。压缩后的飞秒脉冲注入到PM-HNLF进行光谱展宽，产生了跨倍频程的超连续谱。最终，经由共线型f-2f干涉仪探测到了具有35 dB信噪比的fceo拍频信号。受限于测试设备的性能和光学器件的参数，通过进一步的系统结构优化和器件选型，fceo信号的SNR仍具有提升空间。例如，振荡器的色散管理，放大器泵浦模式的改变，全光纤结构f-2f干涉仪，主要是波导耦合式PPLN晶体的采用，更窄带宽BPF的使用等诸多方法都是后续优化可考虑的方向。我们希望这些研究成果能够为未来面向空间应用的光纤光学频率梳的性能优化和集成设计提供一定的帮助。
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