光纖光梳溫度反饋控制方法研究

程朝亮，沈旭玲，郝 強

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2.華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，上海 200062）

引 言

自1978年H?nsch教授提出光學(xué)頻率梳（簡稱“光梳”）概念后[1]，光梳已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。光梳是基于超短脈沖鎖模激光器產(chǎn)生的，其輸出脈沖在時域上是等間隔、等振幅的超短脈沖序列，在頻域上是等間隔的梳齒線。相鄰梳齒線之間的頻率間隔為fr，梳齒整體相對于零頻偏移為f0，第m個光學(xué)頻率齒滿足fm=m×fr+f0，其中m為梳齒序數(shù)。光梳作為連接微波頻率與光波頻率的橋梁，相比復(fù)雜的微波頻率鏈，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點。目前，光梳系統(tǒng)在高分辨率光譜分析、天文光譜校準(zhǔn)、精密測距、光鐘等[2-6]前沿科學(xué)研究中產(chǎn)生了重大影響。

科研人員基于多種不同類型的鎖模激光器已經(jīng)開發(fā)出光梳系統(tǒng)。2000年，Hall首次實現(xiàn)了鈦寶石光梳[7]，但鈦寶石光梳存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于移動以及抗環(huán)境干擾能力差等缺點。隨著超短脈沖技術(shù)的發(fā)展和光纖制造工藝的進(jìn)步，光纖光梳憑借其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，逐漸成為科研人員替代鈦寶石光梳的選擇。2004年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的Washburn等首次實現(xiàn)了重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相位鎖定的光纖光梳，在鎖定后重復(fù)頻率相位噪聲小于1 mrad，載波包絡(luò)相位的抖動小于10 MHz[8]。2014年，NIST的Sinclair等演示了基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的光纖光梳系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在運動的汽車和振動臺上穩(wěn)定運行[9]。2016年，Kuse等利用非線性放大環(huán)形鏡鎖模實現(xiàn)了光纖光梳，載波包絡(luò)偏移頻率相位噪聲低至0.2 rad[10]。為了實現(xiàn)光纖光梳的長時鎖定，國內(nèi)多個研究小組采取了不同的方案。2012年，曹士英等通過對激光器底板進(jìn)行嚴(yán)格溫控，實現(xiàn)了光梳20 h的連續(xù)鎖定[11]。2015年，張顏艷等通過在非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的振蕩器中加入電光調(diào)制器（EOM）和壓電陶瓷（PZT），在3 kHz的鎖定范圍內(nèi)實現(xiàn)重復(fù)頻率鎖定時間超過一周，但是，載波包絡(luò)相位的鎖定能力仍需優(yōu)化[12]。

本文設(shè)計了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）鎖模振蕩器的光纖光梳。通過兩塊半導(dǎo)體制冷器（TEC）對光纖振蕩器的溫度精細(xì)控制，提高了光梳抗環(huán)境干擾的能力。通過鎖相電路與溫控電路的結(jié)合，實現(xiàn)了fr與f0在170 h內(nèi)的連續(xù)鎖定，抖動標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.83 MHz和280 MHz。

1 光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纖光梳的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由振蕩器、超短脈沖放大器、脈寬壓縮器、光譜展寬器、f-2f拍頻裝置、鎖相電路以及溫控系統(tǒng)組成。光梳的實現(xiàn)需要將鎖模激光器的fr與f0精密鎖定，由光纖振蕩器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)CP2分為兩路，一路進(jìn)入PD1產(chǎn)生fr信號，另外一路輸出的超短脈沖放大壓縮后，注入高非線性光纖進(jìn)行光譜擴展，得到具有倍頻程的超連續(xù)譜后，通過f-2f裝置便能夠獲得f0信號。fr的控制主要是通過PZT改變腔長實現(xiàn)的，該方案具有成本低、操作簡單的優(yōu)點。f0的控制主要是通過調(diào)節(jié)泵浦光實現(xiàn)的。鎖模振蕩器和超短脈沖放大器為全光纖結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性和抗環(huán)境干擾能力。采用的共線型f-2f裝置可以確?；l光與倍頻光在空間上始終重合，顯著提高了f0信號的強度和信噪比。

圖 1 摻鉺光纖光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematic of Er-doped fiber optical frequency comb

搭建了基于NPR鎖模的振蕩器，其中包括976 nm的半導(dǎo)體激光器（LD）、波分復(fù)用器（WDM）、摻鉺光纖（EDF）、10%輸出的光纖耦合器（CP1）、電控偏振控制器（EPC）以及偏振相關(guān)的隔離器（ISO）。976 nm的泵浦光由波分復(fù)用器耦合進(jìn)入腔內(nèi)長度為50 cm的增益光纖（EDF-80，OFS），該增益光纖在1 530 nm處的吸收系數(shù)為 80 dB/m，色散參量為-48 ps/（nm·km）。電控偏振控制器（MPC-3X，General Photonics）可以通過調(diào)節(jié)三個軸上的電壓控制腔內(nèi)脈沖偏振態(tài)的演化。偏振相關(guān)隔離器用于保證脈沖單向傳輸，同時起到檢偏器的作用。當(dāng)泵光功率超過80 mW時，將電控偏振控制器三個軸上的電壓調(diào)節(jié)為16 V、25 V和0 V，可實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖序列。激光器的重復(fù)頻率為102.3 MHz，且光纖耦合器CP1輸出種子光的平均功率為2.8 mW、中心波長為1 565 nm。

為了提高光梳系統(tǒng)的可集成性，實驗上設(shè)計了全保偏光纖鏈路的光功率放大、脈沖壓縮和光譜展寬系統(tǒng)。從振蕩器出來的種子光經(jīng)過光纖分束器CP2（分束比10∶90）分成兩路，10%端為重復(fù)頻率監(jiān)測端，90%端作為種子光進(jìn)入光功率放大器EDFA。種子光經(jīng)過EDFA后平均功率提升至180 mW。放大后的脈沖由光纖分束器CP3（分束比10∶90）分為兩路：10%端為應(yīng)用端，平均功率為17 mW；90%端經(jīng)過脈沖壓縮、光譜展寬得到超連續(xù)譜。脈寬壓縮后采用自相關(guān)儀（APE，PulseCheck）對脈寬進(jìn)行測量，脈寬被壓縮為76 fs。光譜展寬用的高非線性光纖為橢圓纖芯，其非線性系數(shù)為10.5 W-1·km-1，在1 550 nm處的色散為-2.4 fs2/mm。展寬后光譜范圍1 000～2 200 nm。

超連續(xù)譜進(jìn)入共線型f-2f裝置，通過拍頻獲得f0信號。超連續(xù)譜通過一個準(zhǔn)直透鏡L1和聚焦透鏡L2后耦合進(jìn)入周期極化鈮酸鋰晶體（PPLN）。為了提高PPLN晶體的倍頻效率，在聚焦透鏡后加入半波片來調(diào)節(jié)光束的偏振態(tài)。超連續(xù)譜中2 094 nm附近的光在PPLN晶體中倍頻成1 047 nm，該激光與原有的1 047 nm部分共線通過窄帶濾波片BP。最后，耦合進(jìn)入光電探測器PD2獲取f0信號。

對于fr的鎖定，光電探測器PD1探測到的fr信號經(jīng)過帶通濾波器BP1后進(jìn)入混頻器M1，與頻率為1.023 GHz的參考信號RF1進(jìn)行混頻，由低通濾波器LPF1濾出誤差信號，經(jīng)過高壓放大器HVA后驅(qū)動PZT，利用PZT控制振蕩器腔長實現(xiàn)對fr的鎖定[13]。對于f0的鎖定，光電探測器PD2探測到的f0信號由帶通濾波器BP2濾出，先進(jìn)行64分頻，再將分頻后的信號與2 MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號RF2進(jìn)行混頻，并由低通濾波器LFP2濾出誤差信號，最后，通過誤差信號反饋調(diào)節(jié)腔內(nèi)泵浦源功率，實現(xiàn)對f0的精密鎖定。其中，RF2與RF1參考在同一臺銣鐘上。

鎖模激光器在自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，fr與f0的慢漂主要來自振蕩器泵浦光功率波動和環(huán)境溫度變化。對于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的鎖模激光器重復(fù)頻率可以表示為：fr=c/nL，其中c為光速，n為振蕩器介質(zhì)的折射率，L為腔長。可以看出fr大小取決于腔長L和腔內(nèi)介質(zhì)折射率n。泵浦光變化會改變光纖中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，進(jìn)而改變該光纖的非線性折射率，從而影響fr；光纖的折射率和長度都受到溫度的影響，而光纖（二氧化硅）的熱膨脹系數(shù)為5.5×10-7/℃，折射率溫度系數(shù)為8.11×10-6/℃[14]，計算可以得到實驗中振蕩器的重頻溫度系數(shù)約為-860 Hz/℃，其中，光纖折射率n的變化是引起fr變化的主要因素。f0是脈沖的載波包絡(luò)相位在頻域上的表現(xiàn)，可以表示為f0=（Δφ/2π）×fr，其中Δφ為載波包絡(luò)相位，其漂移來源于激光振蕩器中群速度與相速度的不同。泵浦光功率和環(huán)境溫度變化會導(dǎo)致光纖群速度與相速度的不同，從而影響f0信號頻率。

通過對泵浦光進(jìn)行恒流恒溫控制，泵浦光功率的抖動限制在0.1%以內(nèi)。為了抑制由于環(huán)境溫度變化引起的梳齒漂動，系統(tǒng)對振蕩器采取嚴(yán)格的溫控措施，并微調(diào)TEC溫度來補償fr與f0的慢漂。溫控系統(tǒng)中包含兩塊獨立工作TEC，其控制精度達(dá)到了0.02 ℃。振蕩器光纖與一塊薄銅片緊密貼合，再將該銅片放置于TEC2上。銅片良好的導(dǎo)熱效果可以抑制增益光纖等發(fā)熱區(qū)造成的局部熱量不均勻現(xiàn)象。TEC1用來控制振蕩器上方空氣溫度。TEC的反饋控制信號由鎖相電路提供。其中，f0與參考信號RF2的誤差信號用于控制TEC1，fr與參考信號RF1的誤差信號用于控制TEC2。

2 測試結(jié)果與討論

2.1 長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)fr與f0的初步穩(wěn)定，測試了fr、f0與TEC1、TEC2溫度的關(guān)系，以及fr與f0在溫控系統(tǒng)中的自由漂動情況。通過分析這些數(shù)據(jù)明確了利用反饋TEC溫度穩(wěn)定fr與f0的機制，最后通過反饋TEC溫度實現(xiàn)fr與f0的初步穩(wěn)定。

通過將一個TEC的溫度設(shè)置為恒溫23 ℃，調(diào)節(jié)另一個TEC的溫度，測得了fr與f0兩個頻率與被調(diào)節(jié)TEC溫度的變化關(guān)系。圖2（a）中的藍(lán)色曲線為fr與TEC1、TEC2溫度的關(guān)系，紅色曲線為f0與TEC1、TEC2溫度的關(guān)系?？梢钥闯觯琭r與f0隨著TEC溫度升高均表現(xiàn)為線性降低。相比于TEC2，TEC1對fr與f0的影響相對較弱。當(dāng)TEC1的溫度從18 ℃增加到25 ℃時，fr與f0分別降低了67 Hz和24.25 MHz；而TEC2從22.5 ℃增加到23.5 ℃時，fr與f0分別降低了917 Hz和39 MHz。主要原因在于振蕩器光路是通過薄銅片直接貼合于TEC2上，而振蕩器光路與TEC1未直接接觸，是通過空氣熱傳導(dǎo)進(jìn)行溫度控制。此外，對于f0信號來說，通過反饋TEC1可以實現(xiàn)更為精細(xì)的調(diào)節(jié)；對于fr信號來說，通過反饋TEC2可以實現(xiàn)更大范圍的調(diào)節(jié)。fr與f0自由漂移的情況如圖2（b）中的紅色曲線所示，在監(jiān)測的36 h內(nèi)fr與f0漂移范圍分別60 Hz和3 MHz。圖2（b）中的黑色曲線顯示了振蕩器在自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，對TEC1與TEC2進(jìn)行反饋控制后，fr與f0信號頻率漂移情況。在36 h時間內(nèi)，fr與f0漂移范圍始終分別被控制在±5 Hz和±300 kHz范圍內(nèi)。

圖 2 fr 與 f0 變化曲線Fig. 2 The change of fr and f0

2.2 重復(fù)頻率與載波包絡(luò)相位偏移頻率的鎖定

實驗采用高帶寬的PZT對fr進(jìn)行鎖定。帶寬更高的PZT鎖定范圍小，但是其可以響應(yīng)高頻信號。在這里已經(jīng)利用溫控系統(tǒng)對fr進(jìn)行了初步的穩(wěn)定，fr的自由漂動范圍被限制在10 Hz以內(nèi)，不需要使用鎖定范圍大的PZT。采用的高帶寬PZT最大伸縮量為7 μm、諧振頻率150 kHz。通過鎖相電路和溫控系統(tǒng)的配合，實現(xiàn)了在170 h時間內(nèi)，重復(fù)頻率連續(xù)鎖定，鎖定結(jié)果如圖3所示。圖3（a）是fr鎖定后的頻率漂移情況，采用頻率計數(shù)器（Tektronix，F(xiàn)CA3103）對頻率進(jìn)行監(jiān)測，其對時間測量可以達(dá)到50 ps的單次分辨率。fr抖動始終保持在15 MHz以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.83 MHz，沒有出現(xiàn)大的抖動，這是因為使用了高帶寬的PZT鎖定fr，其快速的響應(yīng)時間可以很好地抑制外界干擾。圖3（b）是相應(yīng)的Allan方差，可以看出，在1，10，1 000 s的采樣時間下 Allan 方差分別為 8×10-12，2×10-12和9×10-14。

圖 3 fr 鎖定結(jié)果Fig. 3 Locking result of fr

通過f-2f拍頻系統(tǒng)得到自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的f0信號，采用頻譜分析儀（Agilent Technologies，N9000A）對信號進(jìn)行分析，該儀器測量頻率范圍為9 kHz～7.5 GHz，最小分辨率可以達(dá)到1 Hz。自由運轉(zhuǎn)的f0信號頻譜如圖4（a）中紅色曲線所示（光束寬度BW=100 Hz），半高全寬（FWHM）為5 kHz。將130 MHz附近的f0信號進(jìn)行64分頻，實現(xiàn)了在1 MHz的范圍內(nèi)對f0信號的精密鎖定。圖4（a）的黑色曲線為f0鎖定后的頻譜圖，鎖定后f0信號線寬從自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的5 kHz降到1 Hz以下。采用頻率計數(shù)器（Tektronix，F(xiàn)CA3103）對頻率進(jìn)行監(jiān)測，采樣時間為1 s，如圖4（b）所示，在170 h的監(jiān)測時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差為280 MHz。

圖 4 f0 鎖定結(jié)果Fig. 4 Locking result of f0

3 結(jié) 論

文章通過精確控溫的方式降低了自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下光梳fr和f0的漂移，鎖定后f0信號線寬從5 kHz降低到小于1 Hz，頻率抖動標(biāo)準(zhǔn)偏差為280 MHz，fr標(biāo)準(zhǔn)差為0.83 MHz。該光纖光梳系統(tǒng)在170 h測試時間內(nèi)無失鎖現(xiàn)象發(fā)生，為全光纖化光梳提供了一個可行的溫控解決方案。