高速摄像机 光子飞轮级别的克尔微腔光频梳

导读

      南京大学介电超晶格实验室的谢臻达教授课题组与美国科罗拉多大学博尔德分校黄书伟教授合作在克尔微腔光频梳研究中取得重要突破，首次获得“光子飞轮”级别的耗散克尔光孤子光梳，具有亚飞秒的时间抖动（995 as）和超低相位噪声（-180 dBc/Hz@1 GHz载频），创造了目前微腔光频梳中的最好纪录，为高精度超小型“光钟”研制提供了一种关键备选元器件。相关工作以“编辑推荐”方式发表在物理学旗舰刊物物理评论快报（PRL）上。

研究背景

    “光子飞轮”概念首先由光频梳研究先驱、汉堡大学Franz X. Kärtner教授提出，类比于机械飞轮，采用光学方法产生高重复性和低抖动的周期性信号，可以实现目前人类所能达到的最精密的时间标准，因而微波光子学、精确授时、遥感定位等领域具有重要应用价值。“光子飞轮”已经可以在基于飞秒锁模激光器的光频梳中实现，但是其结构复杂、体积重量较大、受环境影响大，通常只能在实验室里运转，且重复频率通常限制在1GHz以下。而光学微腔中的克尔孤子光梳可以大大缩小系统的体积、提升环境适应性，有望实现现场可部署器件。然而片上光学微腔的量子噪声极限较高，且噪声水平进一步受到泵浦激光器噪声和光孤子热稳定性限制，现有的相位噪声和时间抖动水平无法达到“光子飞轮”级别。

创新研究

      针对上述问题，南京大学和科罗拉多大学团队采用机械抛光和光学镀膜的方法，制备了具有高品质因子（Q）的法布里珀罗光纤微腔，Q值可达3.4 × 107。研究人员创造性地提出了“两步泵浦”的新机制（由图1所示），即利用光纤微腔内腔增强的交叉偏振受激布里渊激光（SBL）间接泵浦产生光孤子光频梳。通过两步泵浦，该光频梳的噪声可以突破泵浦激光的噪声限制，通过外力可调的应力致双折射可以调控孤子状态并实现热稳定孤子产生，因而该光梳可以逼近光纤微腔本身较低的量子噪声极限。自由运转状态下的微腔光频梳噪声水平已接近飞秒锁模激光器，时间抖动可以低于一个光学周期，达到了“光子飞轮”级别。

       此外，光纤微腔的的加工不受光学芯片微加工工艺的尺寸限制，容易通过腔长的精确控制，使重复频率（frep）覆盖迫切需求的1 GHz到20 GHz的微波波段。并且光纤微腔可以很方便地与光通信产业广泛应用的光纤器件直接插接耦合，形成全光纤系统，提高系统在复杂环境中运行的稳定性。

  图1 基于光纤微腔和“两步泵浦”法产生“光子飞轮”级别的光孤子光梳。

图文速览

       图2展示了“两步泵浦”法产生光孤子光梳的实验装置和基本原理，在连续波泵浦光驱动下，光纤腔内产生了布里源激光，进而激发了以布里渊激光为中心的光孤子光梳，该光梳具有平滑的光谱和长达数小时的被动稳定性。

       图2 (a)实验装置示意图。CW pump: 连续波泵浦光；FFP resonator：Fiber Fabry-Perot resonator，光纤法布里珀罗腔。(b)光孤子光频梳光谱（单孤子态），具有超过100 nm的带宽（-30 dB）。(c)“两步泵浦”法示意图。泵浦光位于光纤腔其中一个偏振模式共振峰的蓝失谐侧，用以维持光纤腔热稳定，被动稳定性可达数小时；所激发的布里渊激光位于另一偏振模式的红失谐侧，用以激发光孤子光梳。

      图3 (a)泵浦激光和光孤子光频梳线宽测量相干包络和拟合结果。相较于泵浦光，布里渊激光产生的光孤子光梳线宽降低了两个数量级以上，仅为22 Hz，表明该光梳具有较强的相干性。(b)光孤子光频梳重复频率拍频信号，具有超过90 dB的信噪比和仪器分辨率极限的线宽 (c)相位噪声和时间抖动测量结果。该光孤子光梳在10 kHz以上的相位噪声已接近量子噪声极限，具有亚光学周期的时间抖动，在1 MHz以上相位噪声低至-180 dBc/Hz。(d)进一步地，在100 kHz至10 MHz的积分范围内，该光孤子光梳具有亚飞秒的时间抖动（995 as）。

       图3分别展示了该光孤子光梳线宽、拍频、相位噪声和时间抖动测量结果。结果显示，得益于光纤法布里珀罗光纤腔较低的量子噪声极限和布里渊激光线宽压窄效应，“两步泵浦”过程可以产生微腔克尔光频梳中前所未有的低时间抖动，作为一种紧凑小巧的“光子飞轮”有望实现可以现场部署的高精度时间基准。

总 结

       该工作以“Photonic Flywheel in a Monolithic Fiber Resonator”为题发表在《Physical Review Letters》上。南京大学博士生贾琨鹏和汪小涵为该项成果的共同第一作者，南京大学的谢臻达教授和科罗拉多大学博尔德分校的黄书伟教授为共同通讯作者，祝世宁院士对该研究提出了许多重要指导意见。该研究得到了国家重点研发计划（2019YFA0705000, 2017YFA0303700）、国家自然科学基金（51890861, 11690031, 11621091, 11674169）、江苏省自然科学基金前沿技术项目（BK20192001）和广东省重点研发计划（2018B030329001）的资助。

消息来源： 两江科技评论

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