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高速攝像機 光子飛輪級別的克爾微腔光頻梳

導讀

      南京大學介電超晶格實驗室的謝臻達教授課題組與美國科羅拉多大學博爾德分校黃書偉教授合作在克爾微腔光頻梳研究中取得重要突破，首次獲得“光子飛輪”級別的耗散克爾光孤子光梳，具有亞飛秒的時間抖動（995 as）和超低相位噪聲（-180 dBc/Hz@1 GHz載頻），創造了目前微腔光頻梳中的最好紀錄，為高精度超小型“光鐘”研制提供了一種關鍵備選元器件。相關工作以“編輯推薦”方式發表在物理學旗艦刊物物理評論快報（PRL）上。

研究背景

    “光子飛輪”概念首先由光頻梳研究先驅、漢堡大學Franz X. Kärtner教授提出，類比于機械飛輪，采用光學方法產生高重復性和低抖動的周期性信號，可以實現目前人類所能達到的最精密的時間標準，因而微波光子學、精確授時、遙感定位等領域具有重要應用價值。“光子飛輪”已經可以在基于飛秒鎖模激光器的光頻梳中實現，但是其結構復雜、體積重量較大、受環境影響大，通常只能在實驗室里運轉，且重復頻率通常限制在1GHz以下。而光學微腔中的克爾孤子光梳可以大大縮小系統的體積、提升環境適應性，有望實現現場可部署器件。然而片上光學微腔的量子噪聲極限較高，且噪聲水平進一步受到泵浦激光器噪聲和光孤子熱穩定性限制，現有的相位噪聲和時間抖動水平無法達到“光子飛輪”級別。

創新研究

      針對上述問題，南京大學和科羅拉多大學團隊采用機械拋光和光學鍍膜的方法，制備了具有高品質因子（Q）的法布里珀羅光纖微腔，Q值可達3.4 × 107。研究人員創造性地提出了“兩步泵浦”的新機制（由圖1所示），即利用光纖微腔內腔增強的交叉偏振受激布里淵激光（SBL）間接泵浦產生光孤子光頻梳。通過兩步泵浦，該光頻梳的噪聲可以突破泵浦激光的噪聲限制，通過外力可調的應力致雙折射可以調控孤子狀態并實現熱穩定孤子產生，因而該光梳可以逼近光纖微腔本身較低的量子噪聲極限。自由運轉狀態下的微腔光頻梳噪聲水平已接近飛秒鎖模激光器，時間抖動可以低于一個光學周期，達到了“光子飛輪”級別。

       此外，光纖微腔的的加工不受光學芯片微加工工藝的尺寸限制，容易通過腔長的精確控制，使重復頻率（frep）覆蓋迫切需求的1 GHz到20 GHz的微波波段。并且光纖微腔可以很方便地與光通信產業廣泛應用的光纖器件直接插接耦合，形成全光纖系統，提高系統在復雜環境中運行的穩定性。

  圖1 基于光纖微腔和“兩步泵浦”法產生“光子飛輪”級別的光孤子光梳。

圖文速覽

       圖2展示了“兩步泵浦”法產生光孤子光梳的實驗裝置和基本原理，在連續波泵浦光驅動下，光纖腔內產生了布里源激光，進而激發了以布里淵激光為中心的光孤子光梳，該光梳具有平滑的光譜和長達數小時的被動穩定性。

       圖2 (a)實驗裝置示意圖。CW pump: 連續波泵浦光；FFP resonator：Fiber Fabry-Perot resonator，光纖法布里珀羅腔。(b)光孤子光頻梳光譜（單孤子態），具有超過100 nm的帶寬（-30 dB）。(c)“兩步泵浦”法示意圖。泵浦光位于光纖腔其中一個偏振模式共振峰的藍失諧側，用以維持光纖腔熱穩定，被動穩定性可達數小時；所激發的布里淵激光位于另一偏振模式的紅失諧側，用以激發光孤子光梳。

      圖3 (a)泵浦激光和光孤子光頻梳線寬測量相干包絡和擬合結果。相較于泵浦光，布里淵激光產生的光孤子光梳線寬降低了兩個數量級以上，僅為22 Hz，表明該光梳具有較強的相干性。(b)光孤子光頻梳重復頻率拍頻信號，具有超過90 dB的信噪比和儀器分辨率極限的線寬 (c)相位噪聲和時間抖動測量結果。該光孤子光梳在10 kHz以上的相位噪聲已接近量子噪聲極限，具有亞光學周期的時間抖動，在1 MHz以上相位噪聲低至-180 dBc/Hz。(d)進一步地，在100 kHz至10 MHz的積分范圍內，該光孤子光梳具有亞飛秒的時間抖動（995 as）。

       圖3分別展示了該光孤子光梳線寬、拍頻、相位噪聲和時間抖動測量結果。結果顯示，得益于光纖法布里珀羅光纖腔較低的量子噪聲極限和布里淵激光線寬壓窄效應，“兩步泵浦”過程可以產生微腔克爾光頻梳中前所未有的低時間抖動，作為一種緊湊小巧的“光子飛輪”有望實現可以現場部署的高精度時間基準。

總 結

       該工作以“Photonic Flywheel in a Monolithic Fiber Resonator”為題發表在《Physical Review Letters》上。南京大學博士生賈琨鵬和汪小涵為該項成果的共同第一作者，南京大學的謝臻達教授和科羅拉多大學博爾德分校的黃書偉教授為共同通訊作者，祝世寧院士對該研究提出了許多重要指導意見。該研究得到了國家重點研發計劃（2019YFA0705000, 2017YFA0303700）、國家自然科學基金（51890861, 11690031, 11621091, 11674169）、江蘇省自然科學基金前沿技術項目（BK20192001）和廣東省重點研發計劃（2018B030329001）的資助。

消息來源： 兩江科技評論

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