基于电光晶体马赫-曾德干涉仪的载波包络偏移频率调节方法*

丁永今 曹士英 林百科 王强 韩羿 方占军

(中国计量科学研究院,时间频率计量科学研究所,北京 100029)

基于电光晶体马赫-曾德(M-Z)干涉仪的载波包络相位偏移频率(carrier-envelop offset frequency,f0)调节方法是一种新颖的f0 调节方法.该方法通过改变脉冲包络而不改变载波频率实现对f0 信号的调节.本文对该方法所涉及的偏振控制装置进行了仿真,分析了其中波片光轴偏差对输出激光偏振方向和偏振度的影响.在实验上提出了一种光轴校准方法以减小波片光轴偏差带来的影响,并对比了抽运电流调节方法和基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0 调节方法对f0 信号和光梳与激光拍频信号(beat note,fb)的影响.实验结果表明改变抽运电流,在f0 调节量为9 MHz 的情况下,对fb 影响为7 MHz.而在相同f0 调节量下,电光晶体M-Z 干涉仪f0调节方法对fb 的影响为0.2 MHz,仅为抽运电流对fb 影响的1/35,从而验证了基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法可以有效降低对fb 的干扰,为利用fb 锁定重复频率(repetition rate,fr),进而实现光梳梳齿线宽的压窄提供了一种技术手段.

1 引言

光学频率梳,简称“光梳”,自1999 年被实现[1,2]以来得到了巨大的发展,其梳齿覆盖的波长范围广,并且梳齿之间保持着良好的相干性[3,4],以一种相对简单的方式实现了前所未有的光学频率测量,并带动了许多领域的进步.如今,光梳已经被广泛用于光学频率标准[5]、精密光谱学[6]、超稳微波产生[7]、绝对距离测量[8]等领域.光梳锁定后梳齿的稳定度和准确度反映了光梳的性能.梳齿的稳定度与梳齿线宽、相位噪声在表征光梳性能上是统一的.随着光钟技术的不断发展,其稳定度已经达到了秒稳10–17水平[9],B 类不确定度甚至进入了小数10–19水平[10].在光钟研究的相关领域,如光钟比对[11]以及光钟的跃迁频率转换到其他波段等应用中[12],为了保证测量结果不受限于光梳,低相噪、窄线宽光梳的建立和应用至关重要.此外,在双光梳技术中[13],两套光梳之间的相对相干时间与相对线宽成反比,更长的相干时间可以使信号相干叠加从而提高探测信号的信噪比.

无论是诞生时间较早的钛宝石光梳还是目前广泛应用的光纤光梳,都采取了伺服反馈方式对光梳进行锁定与噪声抑制,但由于光纤光梳腔内色散和损耗等原因,其噪声普遍大于钛宝石光梳[14],因此需要更好的噪声抑制手段.光梳有两个关键参数重复频率fr和载波包络相位偏移频率f0.光梳中任一梳齿的频率fN可以表示为fN=N·fr+f0,其中,N为梳齿序数,通常在106量级.无论锁定fN,fr和f0三个参数中的两个,还是锁定两根不同梳齿,都是直接或者间接反馈控制fr和f0,因此fr和f0控制器件的带宽至关重要.除此之外,通过对光梳系统中引入噪声的环节进行优化,例如如降低抽运源噪声[15],减小探测f0过程中超连续谱引入的噪声[16]等方式也可以从源头上减小光梳噪声,从而降低对伺服锁定带宽的要求.

光梳的重复频率与振荡器腔长有关,控制原理相对简单.早期的光梳通过压电陶瓷(piezoelectric transducer,PZT)控制腔长.由于PZT 为机械性的伸缩,调节速度较慢,带宽通常在几十kHz 甚至更低,但其调节范围能达到kHz 甚至MHz 量级.2005 年Hudson 等[17]通过腔内电光调制器(electrooptical modulator,EOM)实现了快速的fr控制,fr控制带宽达到了230 kHz,锁定后的fr在1 Hz 到100 kHz 的频率范围内积分相位抖动为10 fs.2012 年Iwakuni 等[18]利用波导型EOM 作为fr的反馈器件,其半波电压小于5 V,fr伺服带宽达到了1.3 MHz.2017 年Nakamura 等[19]提出在腔内采用磁光调制器(magneto-optical modulator,MOM)控 制fr,通过PZT 和抽运电流将一根梳齿锁定到超稳连续光,再加入MOM 伺服环路,将拍频信号100 Hz—3 MHz 范围内的相位噪声从128 mrad 降低到92 mrad.目前光梳fr锁定的反馈器件普遍采用PZT 和EOM 相结合的方式以达到快速大范围的伺服控制.此外,再加上对振荡器的有效温控,能够实现fr的长期锁定.

光梳的载波包络相位偏移频率f0源自于激光器腔内的色散导致腔内脉冲的载波速度与包络速度存在差异,即脉冲载波的相速度和包络的群速度不一样,难以直接调节.高速可靠的f0调节方法对光梳噪声抑制具有重要意义.2004 年Hundertmark等[20]借助提取到的掺Er 光纤振荡器的f0信号,通过控制光纤振荡器的抽运电流将f0信号锁定到射频参考上.2010 年Koke 等[21]采用了一种前馈的方法,即通过腔外的声光移频器(acousto-optic frequency shifter,AOFS)对梳齿进行一个整体的移动,得到的f0时间抖动只有12 as.这种方法的调节速度受限于声波在移频器晶体里的传播延迟,并且可能限制输出功率,同时引入空间色散.2012 年Iwakuni 等[18]采取将反馈电流信号直接加到抽运二极管管脚方式,并调节腔内偏振状态减小f0对注入电流的敏感程度性,实现了900 kHz 的f0反馈带宽.目前普遍使用的f0调节方法为前面所提到的通过调节抽运电流或者调节抽运功率的方式.这种方式实现起来相对简单,但是调节速度受限于增益介质,调节机制比较复杂[22].对f0的调节是大量的非线性效应共同作用的结果,对振荡器运行状态影响较大,同时f0的调节往往会对fr信号产生串扰,从而影响fr环路的锁定.

2017 年,Hänsel 等[23]提出了一种基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法.这种方法通过控制施加在EOM 上电压来控制f0,在调节速度上具有一定潜力.并且此方法对载波频率没有影响,对光梳与位于载波频率处激光的拍频信号没有串扰,对光梳与载波波长附近激光的拍频信号的影响也相对较小.在利用fb锁定fr方面,基于电光晶体M-Z干涉仪的f0调节方法具有优势.而通过fb锁定fr正是将光学频率稳定度传递到微波频率所普遍采用的方法.

国内在基于EOM 的光学频率梳的研究方面,Ning 等[24]在全保偏多路输出的掺Er 光纤光梳中增加了EOM,并采用EOM 结合PZT 的方式进行重复频率锁定.Wang 等[25]在掺Yb 光纤飞秒激光器中加入单个EOM 晶体,实现了向972 nm激光的锁定.Ma 等[26]在掺Yb 光纤光梳中增加了EOM,实现了0.95 GHz 的高重复频率输出以及和6 束不同波长激光的拍频信号探测,但EOM 在该光梳中快速锁定效果没有验证.本课题组[27]在掺Er 光纤飞秒激光器中加入单个EOM 晶体,验证了电光晶体对重复频率和载波包络偏移频率的调节能力,实现了利用EOM 晶体对重复频率和载波包络偏移频率的锁定.

基于此,本文主要研究了基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法并对该方法所涉及的偏振控制装置进行了仿真,分析了其中波片光轴偏差对输出激光偏振方向和偏振度的影响.在实验上提出了一种光轴校准方法以此减小波片光轴偏差带来的影响,对比分析了抽运电流调节方法和基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法对f0信号和fb信号的影响,验证了基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法可以有效降低对拍频信号的干扰,为利用fb信号锁定重复频率,进而实现光梳梳齿线宽的压窄提供了一种技术手段.

2 基本原理和仿真计算

2.1 基本原理

锁模激光器输出的脉冲的电场E(z,t)用标量复平面波可以表示为

其中,A(z,t) 为振幅,eφ0(z,t)为相位因子,ei(ω0-kz)为载波,ω0为载波频率.数学形式上包络函数与载波函数的乘积可以看作包络对载波幅度调制的结果,如图1 所示.

图1 脉冲包络与载波示意图Fig.1.Diagram of the envelope and carrier of a pulse.

基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法基本原理如图2(a)所示[23],脉冲在激光器腔内分成蓝色和红色两个部分.两部分脉冲的振幅大小可控,其中蓝色部分脉冲经历的路径相对于红色部分脉冲多出一个整数倍载波波长,此后再重新合成为一个脉冲.由于两个脉冲路径差对应于载波波长的整数倍,因此合成之后脉冲的载波频率保持不变,但脉冲的包络位置发生了移动.脉冲的合成过程如图2(b)所示,这里设两部分脉冲的路径之差为1 个载波波长.黑色为原始脉冲,被分成了蓝色与红色两部分.蓝色部分由于走过的路径多出了一个载波波长,时间上相对于红色脉冲有一个载波周期的延迟,然后蓝色和红色部分重新合成为一个脉冲,用浅绿色表示.浅绿色脉冲的包络位置相对于原始黑色脉冲发生了移动.这样在载波频率不变的情况下通过改变包络的位置从而改变载波和包络之间的相位偏移.当脉冲在腔内不断循环的时候,受控载波的包络相移频率便产生了,而载波对应的光频没有发生变化,因此在利用光梳向位于载波波长处的窄线宽激光锁定上具有优势,对于光梳与载波波长附近处的窄线宽激光的拍频信号影响也较小.而脉冲在腔内不断循环的时候,包络位置的变化导致了包络之间的间隔也发生了变化,这意味重复频率的变化,因此可以认为此方法是在载波频率不变的情况下,通过改变重复频率来改变f0.

图2 基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0 调节方法示意图 (a)基本原理图;(b)脉冲包络位置的演化图Fig.2.Principal of the EOM based M-Z interferometer for controlling f0:(a) Principle of f0 control device;(b) evolution of the pulse envelope.

基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节装置由偏振控制装置PCD1,nλ 波片、偏振控制装置PCD2组成.光在电光晶体M-Z 干涉仪中的偏振如图3所示.nλ 波片快慢轴对应于M-Z 干涉仪两臂,通过PCD1 改变入射线偏光的角度来改变其在nλ 波片两个光轴上的投影强度,从而控制f0.PCD2 与PCD1对偏振的控制效果相反.这样整套装置对入射光的偏振没有影响,对偏振的控制过程中入射光的功率也保持不变.在图3 所示的装置中,偏振控制装置为f0调节的关键部分,由1/4 波片-EOM-1/4 波片的组合构成,如图4 所示.其中,实线表示1/4 波片和EOM 的快轴,虚线表示1/4 波片和EOM 的慢轴.偏振控制装置要求EOM 前后两个1/4 波片光轴相互垂直,并且与EOM 加电压后的两条感应特征轴成45°夹角.

图3 基于电光晶体的M-Z 干涉仪示意图及光在其中的偏振方向Fig.3.Diagram of experimental device of the EOM based M-Z interferometer for controlling f0 and the polarization of the light that travels along it.

图4 偏振控制装置结构图,其中QWP 为1/4 波片,实线为QWP 和EOM 快轴,虚线为QWP 和EOM 慢轴,α 为入射光偏振方向与x 轴夹角,β 为出射光偏振方向与x 轴夹角Fig.4.Structure of PCD,where,QWP is quarter-wave plate,the solid lines are the fast axes of QWP and EOM,the dotted lines are the slow axes of QWP and EOM,α is the angle between the polarization of the incident light and the x-axis,β is the angle between the polarization of the output light and the x-axis.

借助琼斯矩阵对图4 所示偏振控制装置的原理进行分析.建立二维笛卡尔坐标系,设坐标系x,y轴与EOM 两个感应特征轴平行,如图4 所示.x轴沿水平方向,y轴沿竖直方向.第一个1/4 波片光轴与x轴夹角为45°,第二个1/4 波片与x轴夹角为–45°,EOM 感应快轴与x轴平行.考虑到其他偏振态的光可以由不同线偏光叠加而来,采用线偏光分析不影响结果的准确性.为了方便分析,设入射光为线偏光,偏振方向与x轴夹角为α,EOM 快慢轴相位差为 Δφ,则出射光为入射光所经过器件的琼斯矩阵依次左乘以入射光琼斯矩阵,即

2.2 偏振控制仿真

考虑到实际情况中1/4 波片和EOM 的感应光轴方向容易出现偏离,因此对偏振控制装置的偏振控制能力进行了仿真,计算了器件夹角发生偏离时,出射光的偏振方向及偏振度的变化.仿真同样借助于琼斯矩阵,由于EOM 可以看作一个相位差可调的波片,因此EOM 和波片均采用了波片的通用琼斯矩阵公式:

其中,δ为器件快慢轴相位差,θ为器件快轴与x轴夹角.考虑到实际情况f0调节装置在腔内的位置为两个偏振分光镜(polarization beam splitter,PBS)之间,入射光设定为水平线偏光.综合考虑了铌酸锂晶体的折射率和电光系数,实验采用的铌酸锂晶体加电压时感应主轴会绕通光方向旋转45°,即θEOM为45°,因此实验器件的光轴方向与图4 并不相同,相当于偏振控制装置整体旋转了45°.对于第一个1/4 波片,θplate1为90°,即光轴在竖直方向.对于第二个1/4 波片,θplate2为0°,即光轴在水平方向.铌酸锂晶体的相位差计算得到,其中n0为晶体寻常光的折射率,γ 为晶体的电光系数,d为给晶体两电极之间的距离,l为晶体通光方向上的长度,U为施加的电压.实验采用的铌酸锂晶体半波电压为10500 V,在150 V 电压下快慢轴相位差为2.57°.但为了让仿真结果看起来更加明显,EOM 的快慢轴相位δEOM差设置为固定的10°.在实际情况器件光轴的偏离不会太大,因此1/4 波片和EOM 光轴夹角偏离情况设为–10°—10°.出射光的偏振状态借助偏振椭圆表征.偏振椭圆为电场振幅在与光传播方向的垂直面上的分布,偏振椭圆的x与y轴方向与图4 相同.线偏振程度用偏振椭圆的短轴b与长轴a的比值,即b/a表征,偏振方向用偏振椭圆的长轴方向表征.

本文仿真计算了第一个1/4 波片光轴夹角存在偏离、第二个1/4 波片光轴夹角存在偏离和仅EOM 光轴夹角存在偏离的情况,结果如图5 所示.图5 上面一栏图中绿色线为水平线偏振参考,红色为出射光的偏振椭圆,黑色为偏振椭圆的长轴.图5下面一栏图中蓝色线为出射光的角度,褐色线为偏振椭圆短轴与长轴的比值.

图5 器件光轴存在偏离的情况 (a)第一个1/4 波片光轴发生偏离;(b)第二个1/4 波片光轴发生偏离;(c) EOM 光轴发生偏离Fig.5.Influence of the deviation of the optical axis on the polarization:(a) Deviation of the first QWP optical axis;(b) deviation of the second QWP optical axis;(c) deviation of the EOM optical axis.

由于晶体δEOM设定为10°,理想情况下出射光应该为5°,与图5 中器件偏离0°的情况保持一致.从仿真计算结果可以看到,对于图5(a)中的情况,即当第一个1/4 波片偏离的时候,出射光偏离的方向与1/4 波片偏离方向相反,偏离的大小几乎等于第一个1/4 波片偏离的角度,并且出射光偏振度发生了下降.当1/4 波片偏离–10°时,出射角为15.59°,偏离大小为10.59°,b/a为0.17.

对于图5(b)中的情况,即当第二个1/4 波片偏离的时候,出射光偏离的方向与1/4 波片偏离方向相同,偏离的大小几乎等于第二个1/4 波片偏离的角度,并且出射光偏振度发生了下降.当第二个1/4 波片偏离–10°时,出射角为–4.69°,偏离大小为9.69°,b/a为0.17.

对于图5(c)中的情况,即当EOM 光轴偏离的时候,无论EOM 偏离角度是正是负,出射光都向负方向发生偏离,出射光偏振度发生了下降.当EOM偏离–10°时,出射角为4.70°,偏离大小仅为0.3°,b/a为0.0024.与前面两种情况相比,图5(c)出射光偏离的角度和偏振度的下降都大大减小.

在实际情况中,偏振控制器中的3 个器件光轴都有可能偏离,而整个f0调节实验装置用到了两套偏振控制器,这让情况变得更加复杂.为了使整个f0调节实验装置对偏振的影响小,即出射光与入射光的偏振方向尽量相同,偏振度下降也尽量低,因此保证前后两个1/4 波片光轴相互垂直具有重要意义,也就是仅EOM 夹角发生偏离的情况,即图5(c)中的情况.在这种情况下偏振控制装置对偏振方向的控制比较准确,偏振度的下降相对较小,因此后续针对此情况特对1/4 波片光轴进行校准.

3 f0 调节装置的建立与腔外测试

3.1 1/4 波片光轴方向的校准

在实验上,采用图6 所示的方法将1/4 波片光轴校准在水平或者竖直方向.当1/4 波片光轴在水平或者竖直方向时,无论波片哪个面作为入射面,经过波片的出射光的状态应保持不变.设当1/4 波片A面作为入射面时,偏振测量仪的读数为ξA,当1/4 波片B面作为入射面时,偏振测量仪的读数为ξB.当f0调节装置还没有安装到锁模激光器腔内的时候,此时激光器应能够锁模,激光器输出激光通过PBS 产生一个线偏光.由于PBS 无法保证严格水平,此时经过PBS 的透射光偏振方向应接近水平,通过偏振测量仪(Thorlabs PAX1000IR2/M)测得此时偏振角为ξ.安装好1/4 波片,记此时波片的入射面为A面,转动波片,使偏振测量仪读数ξA仍然为ξ.现在改变波片架的安装方向,这样入射面变成了1/4 波片的另一个面了,记为B面,此时偏振测量仪读数为ξB,将波片转动一个小的角度,使偏振测量仪读数靠近ξA,记此时偏振测量仪读数为然后让入射面变回A面,可以看到此时偏振测量仪读数靠近,继续将波片旋转一个小的角度,使偏振测量仪读数靠近.这样不断改变入射面,不断调整1/4 波片光轴方向,直到无论哪个面作为入射面,偏振测量仪读数几乎不变,那么可以认为光轴校准已经完毕.此校准方法的优点为:由于平面的加工精度较高,改变波片架安装方向这一过程引入的误差较小,并且这种校准方法对PBS 与偏振测量仪是否保持水平没有要求,对波片相位差没有严格要求,对其他相位差的波片也适用.

图6 1/4 波片光轴校准示意图Fig.6.Schematic of QWP optical axis alignment.

采用上述方法对波片光轴方向进行校准,表1为单个波片校准数据,后续对4 个波片联合测试,当线偏光经过4 个波片后,偏振方向仅旋转了0.1°.

表1 1/4 波片光轴校准数据Table 1.Alignment data of the QWPs.

3.2 偏振控制能力测试

对波片的光轴方向校准完毕之后建立f0调节装置.将f0调节装置放入激光器腔内进行实验之前,在腔外对装置偏振的控制能力进行测试,测试装置与图6 相同,通过偏振测量仪读数的变化来测量f0调节装置对偏振的影响.为了保证两个EOM所加的电压大小一致,采用同一个高压驱动源分成两路,分别对两个EOM 施加电压,这样两个EOM上的电压大小保持一致.首先对单套偏振控制装置施加电压,测量出射光偏振的变化,如图7 所示.第二套偏振控制装置与第一套偏振控制装置相比,EOM 前后两个1/4 波片发生了对调,因此在同样的电压下,第二套偏振控制装置对入射光偏振的旋转方向与第一套偏振控制装置相反.然后对两套偏振控制装置同时施加一致的电压,由于两个套偏振控制装置对偏振的旋转方向相反,因此总体效果偏振方向在理论上保持不变.但由于EOM 光轴方向可能存在偏差,并且EOM 存在个体差异导致实际在150 V 电压下偏离了一个0.06°.在150 V 电压下出射光偏离的角度为只对单套偏振控制装置施加同样电压时旋转角度的1/20.

图7 光经过偏振控制装置后的偏振方向偏离角Fig.7.Deviation angle of the light after passing through polarization control device.

4 电光晶体M-Z 干涉仪f0 调节装置、抽运电流和PZT 之间的比较

实验采用的振荡器为特殊设计的非线性偏振旋转(nonlinear polarization rotation,NPR)锁模方式的掺铒光纤飞秒激光器上,腔型为σ腔,如图8 所示.激光器重复频率为131 MHz,输出功率为35 mW.f0调节装置被放置在两个PBS 之间,以进一步减小调节过程中偏振的变化带来的扰动.

图8 实验采用的锁模激光器结构图.LD,抽运源;EDF,掺铒增益光 纤;WDM,波分复用器;COL,准直器;HWP,1/2 波片;FR,法拉第旋光器;ISO,隔离器;M,反射镜Fig.8.Diagram of the mode-locked laser:LD,pump laser;EDF,Er-doped fiber;WDM,980 nm/1550 nm wavelength division multiplexing;COL,collimator;HWP,half wave plate;FR,Faraday rotator;ISO,optical isolator;M,reflective mirror.

首先对加入f0调节装置前后的光谱对比,如图9 所示.可以看出,加入f0调节装置前后激光器锁模光谱几乎不变,光谱峰值在1562 nm.这说明f0调节装置对激光器运行状态影响较小,可以忽略f0调节装置引入的色散和损耗.

图9 有无f0 调节装置光谱对比Fig.9.Comparison of the spectrum with and without f0 control device.

通过抽运电流控制f0是目前使用比较常用的方法,而基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法在理论上对拍频信号fb的影响较小,为了比较两者对拍频信号影响的大小,首先将激光器输出通过放大、扩谱和f-2f干涉仪提取到了35 dB 的f0信号.通过优化放大器抽运功率,扩谱光纤长度,输入激光脉冲宽度、偏振方向等参数,f0信噪比可以进一步提升到40 dB[28].根据现有条件,采用线宽为1 Hz 的1542 nm 窄线宽激光(SLS-INT-1542-300-1,SLS)与激光器输出激光进行拍频,得到了40 dB 的拍频信号fb.该窄线宽激光的频率漂移量为0.05 Hz/s.为了评估电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法对f0调节效果,在晶体上施加了一个频率为20 Hz,峰峰值为 ± 200 V 的正弦调制信号.选择20 Hz 调制频率是因为窄线宽激光器和飞秒激光器的频率漂移量引起拍频信号漂移较快,而电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节装置对拍频影响较小,调制频率太低会导致装置对fb的影响淹没在拍频信号的漂移中.利用计数器记录f0,fb信号及fr的变化,如图10 所示.从图中可以看出f0变化量为9 MHz 时,fb变化量为0.2 MHz、fr变化量为6 Hz.为了与抽运电流对比,在抽运电流上同样施加一个正弦调制信号,在保持f0变化量也为9 MHz 的情况下,测量fb信号和fr信号的变化.由于实验采用的抽运电流调制端口反馈带宽较低,对抽运电流采用的调制频率为0.2 Hz,结果如图11 所示.抽运电流在同样的f0调节量下对fb的影响约为7 MHz,对fr的影响为12 Hz.由此看出电光晶体M-Z 干涉仪f0调节装置对fb的影响仅为抽运电流对fb影响的1/35.

图10 电光晶体M-Z 干涉仪f0 调节装置对f0、 fb 和 fr 频率影响 (a) f0;(b) fb;(c) frFig.10.Influence of the EOM based M-Z interferometer on f0,fb and fr:(a) f0;(b) fb;(c) fr.

实验同样测试了通过PZT 反馈控制fr时,对f0和fb的影响,如图12 所示.从图12 可以看出,当对f0的影响样变化9 MHz 时,fr的变化需要达到45 Hz.PZT 在控制腔长的过程中,也会对f0信号产生影响,即fr锁定环路很难在真正意义上与f0锁定环路没有干扰.在f0同样变化9 MHz 的情况下,fb变化量已经非常靠近fr/2,相邻的两根梳齿的拍频信号会靠的非常近,导致无法有效滤出fb信号,此时对PZT 控制采用200 mHz 的调制信号,通过频谱仪直接观察得到fb变化量为60 MHz.与电光晶体M-Z 干涉仪f0调节装置和抽运电流相比,PZT对fr锁定的影响量更大,更适合用于fr的锁定.

图12 PZT 对f0 和 fr 频率影响 (a) f0;(b) frFig.12.Influence of PZT on f0 and fr:(a) f0;(b) fr.

综上比较,电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法对拍频信号fb影响较小,在利用拍频信号锁定fr方面具有优势,而利用拍频信号锁定光梳正是窄线宽光梳实现的重要途径.

5 结论

基于电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法是一种新颖的f0调节方法,与传统通过抽运电流来控制f0相比有着本质的区别,有望实现更高的伺服带宽并且调节过程中脉冲的载波频率保持不变.本文对此方法进行了介绍,利用琼斯矩阵进行了仿真分析,并借助仿真结果对偏振控制装置进行了搭建和测试.后续搭建完整的基于电光晶体的M-Z 干涉仪的f0调节装置,在 ± 200 V 调制信号下测试得到装置对f0的调节量为9 MHz,对振荡器输出与1542 nm 拍频的影响为0.2 MHz.通过改变抽运电流让f0改变量同样为9 MHz 时,拍频信号的变化为7 MHz.在对拍频信号的影响方面,抽运电流为电光晶体M-Z 干涉仪的f0调节方法的实验装置的35 倍.当借助拍频锁定fr时,基于电光晶体MZ 干涉仪的f0调节方法对fr锁定环路的串扰大大减小.

后续的工作包括对实验装置进行优化,比如选择更加合适的EOM,让两套偏振控制装置的偏振控制效果尽量相同,同时让装置的需要控制电压更低,对f0调节量更大.同时对激光器运行状态进行优化,减小激光器自由运转时本身的噪声,以实现对振荡器f0与fr信号同时进行快速的伺服锁定,最终达到对光梳线宽压窄的效果.