CN105892194B - 相互参考光频梳 - Google Patents

Abstract

相互参考光频梳。本文的实施例提供了一种光频参考，包括细光频梳和粗光频梳。细梳具有第一齿和被锁定到射频参考的分数或整数倍的齿之间的频率间隔（FCS）。粗梳具有被锁定到第一齿的第二齿和被锁定到FCS的整数倍的齿之间的频率间隔（CCS）。设置粗光频梳的至少一个齿的绝对光频。

Description

相互参考光频梳

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年5月7日提交的美国临时专利申请序号61/990,023的权益，其在此通过引用结合到本文中。

背景技术

准确的可调谐光学合成在防区外污水表征（standoff effluentcharacterization）、高带宽和安全通信、光谱学、气体感测、LiDAR、光学载波原子钟、以及原子和光机械惯性传感器中具有潜在的应用。当前的现有技术光学合成器由于大小、成本以及功率要求而局限于实验室使用。

在大范围（诸如1530—1565 nm的C波段光学通信范围）内实现准确且稳定的光学输出的光学合成器具有被用射频（RF）域中的反馈控制锁定到高度稳定且准确的光学参考的输出光。对于大规模光学合成器而言，使用基于钛-蓝宝石或基于纤维-激光的毫微微秒锁模激光源的自参考（self-referenced）光频梳来将光学输出参考到微波输入，使得能够实现光学合成。这些设备是商售的，像冰箱一样大，并且使用大量功率。

最近几年已经进行了大量努力以开发基于微谐振器的自参考光频梳，其使用与传统基于锁模激光器光频梳相比少得多的功率进行操作。然而，光频梳在光学干涉仪中通过自参考进行操作。这由于不能在同时被用超过1瓦特的激光功率激励的时候以细梳齿间距来控制微谐振器而尚未使用微谐振器实现，该超过1瓦特的激光功率用来创建宽到足以自参考的梳（例如，倍频程）。

发明内容

本文的实施例提供了一种光频参考，包括细光频梳和粗光频梳。细梳具有第一齿和被锁定到射频参考的分数或整数倍的齿之间的频率间隔（FCS）。粗梳具有被锁定到第一齿的第二齿和被锁定到FCS的整数倍的齿之间的频率间隔（CCS）。设置粗光频梳的至少一个齿的绝对光频。

附图说明

应理解附图仅仅描述示例且因此不应认为其在范围方面是限制性的，将通过附图的使用以附加的特殊性和细节来描述示例。

图1是图示出两个相互参考光频梳的示例的图。

图2是相互参考的两个光频梳的示例性方法的流程图。

图3是图示出用于实施图1的相互参考光频梳的示例性系统的图。

图4是图示出用于实施图1的相互参考光频梳的另一示例性系统的图。

图5A是图示出相对于图1的细梳的多个齿而言的用于图1的粗梳的谐振器的自由谱范围的扫描示例的图表。

图5B是图示出扫描用于粗梳的谐振器的自由谱范围时的图1的粗梳与图1的细梳之间的拍音的示例的图表。

图6A是图示出利用图1的相互参考光频梳的示例性光频合成器的图。

图6B是图示出来自图6A的光频合成器的示例性输出光以及细梳和粗梳的一部分的图表。

根据惯例，各种所述特征并未按比例描绘，而是为了强调与示例有关的特定特征而描绘。各种图中的相似参考数字和命名指示相似的元件。

具体实施方式

本文所述的主题提供了基于两个相互参考光频梳的光频参考。相互参考光频梳可以以降低的激光功率要求在宽调谐范围内实现稳定的光频参考。

图1是图示出此类相互参考光频梳100（本文也简称为“梳100”）的图。梳100包括细光频梳（FC）102和粗光频梳（CC）104。FC 102具有相对细的间距，而CC 104具有比较粗的间距。由于生成光学梳所需的功率随着齿数的增加而增加，所以与细梳102相结合地使用粗梳104可以减少生成稳定的高频细梳所需的光学功率，因为不需要单个光频梳来实现宽的输出范围和窄的齿间距两者。特别地，使梳100相互参考允许明确地识别细梳齿的频率，即使细梳泵激光器122的波长对于比细梳102的齿间距更好的准确度是推理地未知的。

图2是使FC 102和CC 104相互参考的示例性方法200的框图。方法200包括将顺序号“p”且具有FC 102的频率f(p) 110的第一齿110锁定到顺序号“m”且具有CC 104的频率f(m)的第二齿112（方框202）。图3和4图示出生成FC 102的手段的相应的示例，其具有被锁定到CC 104的第二齿112的第一齿110。

在图3中所示的示例中，可以通过用泵激光器304对用于CC 104的谐振器302（例如，微谐振器）进行泵浦来生成CC 104。还可以由泵激光器304来生成FC 102。在图3中所示的实施方式中，通过用泵激光器304对用于FC 102的谐振器306（例如，微谐振器）进行泵浦来生成FC 102。在替换实施方式中，可以通过从泵激光器304向调制器提供信号来生成FC102。在另一替换实施方式中，可以通过从泵激光器304向调制器提供信号并从调制器向谐振器提供输出来生成FC 102。在任何情况下，用同一泵激光器304生成FC 102和CC 104引起FC 102的第一齿110被锁定到CC 104的第二齿112。

在图4中所示的替换示例中，可以通过用第一泵激光器404对用于CC 104的谐振器402（例如，微谐振器）进行泵浦并通过用第二泵激光器406生成FC 102来生成CC 104。在图4中所示的实施方式中，通过用第二泵激光器406对用于FC 102的谐振器408（例如，微谐振器）进行泵浦来生成FC 102。在替换实施方式中，可以通过从第二泵激光器406向调制器提供信号来生成FC 102。在另一替换实施方式中，可以通过从第二泵激光器406向调制器提供信号并从调制器向谐振器提供输出来生成FC 102。在任何情况下，在图4中所示的示例中可以通过控制第二泵激光器406、使得第二泵激光器406被锁定到第一泵激光器404来将FC102的第一齿110锁定到CC 104的第二齿112。特别地，可以将处理设备410连同适当的检测器一起配置成检测第一泵激光器404与第二泵激光器406之间的频率方面的差，并基于此来控制第二泵激光器406以将第二泵激光器406锁定到第一泵激光器404。

返回参考图1，无论是使用一个泵激光器还是被相互锁定的两个泵激光器来生成FC 102和CC 104，FC 102和CC 104中的至少一个齿将处于（多个）泵激光器122、124的共同频率126。在图1中所示的示例中，那些齿中的两个是FC 102的第一齿110和CC 104的第二齿112。

除了将齿频率110中的两个锁定之外，方法200还包括将FC 102的齿之间的频率间隔（FCS）106锁定到射频（RF）参考的整数或分数倍（方框204）。在一个示例中，使用射频参考来直接地调制细梳泵激光器304、306，创建FC 102，其具有等于RF参考的分数或整数倍的FCS 106。在另一示例中，使用射频电子装置来检测FCS 106，并通过细梳谐振器自由谱范围的闭环控制而将其稳定到射频参考。将FC 102的FCS 106选择成足够小的，使得FCS 106可以基于将FCS 106锁定到稳定RF参考而处在期望的误差范围内。在示例中，稳定的RF参考处于10 MHz，并且基于10 MHz的分数或整数倍（诸如20GHz）而生成FCS 106。

然而，即使FCS 106是已知的，单独地基于上述也不知道FC 102中的任何给定齿的绝对频率。因此，相互锁定梳102、104的另一项目是CC 104的齿之间的频率间隔（CCS）108被锁定到FCS 106的整数倍。在示例中，FCS 106是20 GHz，并且整数倍是50，使得CCS 108为1000 GHz。FC 102和CCS 108的宽度被选择成使得FC 102的齿跨越至少CCS 108以启用此类锁。

可以通过将CCS 104的顺序号m+1的第三齿116锁定到FC 102的顺序号p+q的第四齿118而将CCS 108锁定到FCS 106的整数倍（方框206）。通过连同将第二齿112锁定到第一齿110一起将第三齿116锁定到第四齿118，将CCS 108锁定到FCS 106的整数倍。在示例中，第三齿116是第二齿112的相邻齿，使得第三齿116与第二齿分开CCS 108。在此类示例中，将CCS 108锁定到FCS 106的整数倍q。在示例中，通过设置用于CC 104的谐振器的自由谱范围（FSR）使得FC 102的输出与CC 104的输出之间的拍频指示第三齿116与第四齿118的频率的一致性来将第三齿116锁定到第四齿118。

在示例中，可以通过扫描用于CC 104的谐振器302、402的FSR来将第三齿116锁定到第四齿118。第四齿118可以选自允许锁定到第三齿116的FC 102的任何期望齿。可以例如通过对腔长度进行温度调谐或用其它手段来扫描谐振器302、402的FSR。在扫描谐振器302、402的FSR的同时，监视FC 102和CC 104之间的光学拍音的射频f(beat)。

图5A是图示出相对于FC 102的多个齿而言的用于CC 104的谐振器302、402的FSR的扫描示例的图表。如所示，扫描谐振器302、402的FSR引起CCS 108改变。在CC 104的齿m（例如，第二齿112）被锁定到FC 102的齿p（例如，第一齿110）的情况下，CC 104的m+1齿（例如，第三齿116）跨FC 102的p+1、p+2、p+3等齿移动。随着CCS 108相对于FC 102而改变，然后可以基于FC 102与CC 104之间的拍音的频率的改变率而将m+1齿116锁定到FC 102的任何齿（p+1、p+2、p+3）。特别地，随着m+1齿116跨FC 102的齿扫描，监视拍音的竞争比率（racingrate）（RR）。

图5B是图示出竞争比率的示例的图表。在示例中，可以通过向FCS 106施加小的高频振动来监视该竞争比率。FCS 106的高频振动在FC 102和CC 104之间的拍音502上生成锯齿形状。竞争比率504是拍音502中的锯齿形状的向下边沿的斜率。竞争比率504具有成比例地取决于FC 102的 p齿110与齿（p+1、p+2、p+3等）之间的齿数“q”的值，CC 104的m+1齿116依据其进行干扰而创建拍音。特别地，竞争比率504移动至越接近于无穷大（垂直斜率），则与CC 104的m+1齿116相干扰的FC 102的齿（p+1、p+2等）越远离p齿110。基于此现象，其可以在CC 104的m+1齿116与期望将m+1齿锁定到其中的FC 102的齿（第四齿）118重叠时确定。特别地，，对于某个常数b而言，其取决于使FCS 106高频振动的方法。当m+1齿116与期望的（第四）齿118重叠时，竞争比率等于用于第四齿118的预定值。在该点处，可以使用伺服环路，其保持CC 104的谐振器302、402的FSR以将第三齿116锁定到第四齿118。这一旦发生，CC 104的所有齿被FCS 106的整数倍间隔开。特别地，这可以在不必检测具有CCS 108的频率的拍音的情况下实现。

还设置CC 104的频率偏移120。在示例中，通过使如图1中所示的CC 104的两个齿自参考来设置频率偏移120。如已知的，为了启用此类自参考，CC 104跨越光学倍频程。因此，通过在自参考干涉仪中设置用于CC 104的频率偏移f_o 120来设置CC 104的齿的绝对频率（方框208）。例如，在CC 104中存在许多对齿（n₁、n₂），其可以满足2*频率（n₁）近似等于频率（n₂）的关系（即，相隔倍频程的一对齿）。可以对每个齿的光频写出频率（n₁）＝f_o+n₁*CCS。如果n₁齿在非线性介质中加倍，并且与n₂齿实现外差拍音，则可处理该拍音以识别频率偏移120。频率偏移120在最坏情况下可以大到CCS/2，其可能在频率方面过高而不能直接地用光接收机来检测。因此，如果自参考拍音频率在检测器的带宽之外，则将观察不到拍音。如果未观察到拍音，则可以扫描（向上和/或向下）用于FC 102和CC 104的（多个）泵激光器114以找到拍音，但不需要用超过1/2*CCS 108来扫描。可以用处理设备128和适当的检测器来检测拍音。处理设备128然后可以向用于粗梳的泵124发送信号以调整泵124的频率126，以便将频率偏移设置在期望点处。在替换示例中，作为使用自参考干涉仪的替代，通过将泵124（即，CC 104的m齿）参考到另一足够稳定的激光器（诸如光学原子钟的输出）来设置频率偏移。

全部同时地保持第一齿110与第二齿112之间的锁定、FCS 106与RF参考之间的锁定、第三齿116与第四齿118之间的锁定以及用于CC 104的泵124的锁定以提供相互参考梳100。通过将第一齿110锁定到第二齿112且通过将FCS 106锁定到CCS 108，可以通过设置CC104的频率偏移120（其借助于FC 102被锁定到CC 104而自动地设置FC 102的频率偏移）来设置FC 102的频率偏移，即使FC 102并未跨越光学倍频程。特别地，FC 102和CC 104与（多个）泵激光器114一致地输出滑动（向上和/或向下）。CCS 108并未随着这发生而改变，因为其被锁定到FCS 106的整数倍。这样，可以设置（例如，调整）FC 102的频率偏移，即使FC 102可能未跨越光学倍频程。

在示例中，可以使用梳100作为用于光学合成器的光学参考。在图6A中示出了此类光学合成器600的示例。除FC 102和CC 104之外，光学合成器600可以包括处理设备（例如，微处理器）602和输出激光器604。处理设备602被耦合到输出激光器604和FC 102，使得处理设备602可以检测来自输出激光器604的光606与FC 102的所选齿之间的频率差。处理设备602还被配置成控制输出激光器604以调整来自那里的光的频率。在示例中，处理设备602是基于外部RF参考信号而在微波波段中操作的直接数字合成器（DDS）。图6B图示出示例性图表，其图示出相互锁定的FC 102和CC 104连同来自输出激光器304的输出光606。

在操作中，如上文所讨论的那样使FC 102和CC 104相互参考。处理设备602从输出激光器604接收指示用于光606的期望输出频率的信号。可以从任何适当的源接收此信号，诸如高级计算系统，其接收来自人类的输入。处理设备602选择在期望输出频率附近的FC102的齿608。在示例中，处理设备602选择最接近于期望输出频率的FC 102的齿608。处理设备602然后检测FC 102的所选齿608与来自输出激光器604的光606的频率之间的频率差。基于所检测的频率差，处理设备602控制输出激光器604，使得光606被设置在期望输出频率。特别地，处理设备602控制输出激光器604，使得来自那里的光606被设置在远离FC 102的所选齿608的光学偏移频率，其中，该光学偏移频率等于期望输出频率与FC 102的所选齿608的频率之间的差。特别地，处理设备602可以生成被发送到输出激光器604的频率信号，并且由输出激光器604生成的光606的频率是基于从处理设备602（例如，DDS）接收的信号的频率。本文将从处理设备602（例如，DDS）发送的用以控制输出激光器604的信号的频率称为变化量（delta）频率。

基于接收的指示用于输出光606的期望输出频率的输入信号，处理设备602可以通过调整变化量频率和/或选择FC 102的哪个齿来控制光606的频率。在示例中，将FCS 106设置成20 GHz或以下，以便与处理设备602（例如，DDS）的调谐范围匹配。在示例中，将变化量频率设置成0 Hz与FCS 106之间的频率，其可以用处理设备602（例如，DDS）以亚赫兹（sub-hertz）准确度来完成。

在示例中，CCS 108比FCS 106更大至少10倍。频率间隔方面的此类差异以相对低的功率要求为光学合成器600提供基于CCS 108的宽的整体频率范围和基于FCS 106的精细频率分辨率。在本示例的实施方式中，CCS108比FCS 106更大至少50倍。

示例性实施例

示例1包括光频参考，其包括：细光频梳，具有第一齿和被锁定到射频参考的分数或整数倍的齿之间的频率间隔（FCS）；以及粗光频梳，具有被锁定到第一齿的第二齿和被锁定到FCS的整数倍的齿之间的频率间隔（CCS），其中，设置粗光频梳的至少一个齿的绝对光频。

示例2包括示例1的光频参考，其中，CCS比FCS更大至少10倍。

示例3包括示例1—2中的任一项的光频参考，其中， 细光频梳并未跨越倍频程。

示例4包括示例1—3中的任一项的光频参考，其中，通过将粗光频梳的第三齿锁定到细光频梳的第四齿而将CCS锁定到FCS的整数倍。

示例5包括示例4的光频参考，其中，第三齿是第二齿的相邻齿，使得第三齿与第二齿分开CCS。

示例6包括示例4—5中的任一项的光频参考，其中，通过设置用于粗光频梳的谐振器的自由谱范围（FSR），使得细光频梳与粗光频梳的混合之间的拍频对应于与第四齿对准的第三齿来将第三齿锁定到第四齿。

示例7包括示例1—6中的任一项的光频参考，其中，从谐振器的参数播种（seeding）或谐振器的闭环伺服控制中的一个导出射频参考。

示例8包括示例1—7中的任一项的光频参考，其中，通过使用公共泵激光器来泵送细光频梳和粗光频梳或通过将第一泵激光器用于细光频梳且将第二泵激光器用于粗光频梳中的一个来将第二齿锁定到第一齿，其中，第一泵激光器和第二泵激光器被相互锁定。

示例9包括示例1—8中的任一项的光频参考，其中，通过自差干涉测量或通过将至少一个齿参考到足够稳定的激光器中的一个来设置至少一个齿的绝对光频。

示例10包括用于使两个光频梳相互参考的方法，该方法包括：将细光频梳的第一齿锁定到粗光频梳的第二齿；将细光频梳的频率间隔锁定到射频参考的分数或整数倍；将粗光频梳的频率间隔锁定到细光频梳的频率间隔的整数倍；以及设置粗光频梳的频率偏移。

示例11包括示例10的方法，其中，将粗光频梳的频率间隔锁定到细光频梳的频率间隔的整数倍包括将粗光频梳的第三齿锁定到细光频梳的第四齿。

示例12包括示例11的方法，其中，所述第三齿是第二齿的相邻齿，使得第三齿与第二齿分开粗光频梳的频率间隔。

示例13包括示例11—12中的任一项的方法，其中，将第三齿锁定到第四齿包括设置用于粗光频梳的谐振器的自由谱范围（FSR），使得细光频梳的输出与粗光频梳的输出之间的拍频对应于与第四齿对准的第三齿。

示例14包括示例10—13中的任一项的方法，其中， 从谐振器的参数播种或谐振器的闭环伺服控制中的一个导出射频参考。

示例15包括示例10—14中的任一项的方法，其中，将第一齿锁定到第二齿包括以下各项中的一个：用公共泵激光器来泵送细光频梳和粗光频梳，或者用第一泵激光器来泵送细光频梳并用第二泵激光器来泵送粗光频梳且将第一泵激光器锁定到第二泵激光器。

示例16包括示例10—15中的任一项的方法，其中，粗光频梳的频率间隔比细光频梳的频率间隔更大至少10倍。

示例17包括示例10—16中的任一项的方法，其中， 细光频梳并未跨越倍频程。

示例18包括示例10的方法，其中，设置频率偏移包括将粗光频梳的两个齿自参考或者将粗光频梳的至少一个齿参考到足够稳定的激光器中的一个。

示例19包括光学合成器，包括：细光频梳，其具有第一齿和第二齿以及被锁定到射频参考的分数或整数倍的齿之间的频率间隔（FCS）；以及

粗光频梳，其具有第三齿和第四齿，其中，所述第三齿被锁定到第一齿且所述第四齿被锁定到第二齿，其中，通过将粗光频梳的两个齿自参考来设置用于粗光频梳和细光频梳的频率偏移；输出激光器；以及直接数字合成器（DDS），其在微波波段中操作，该DDS被配置成：检测细光频梳的所选齿与输出激光器之间的频率的差；以及基于所检测差来调整输出激光器以将输出激光器设置成期望频率。

示例20包括示例19的光学合成器，其中，所述第四齿是第三齿的相邻齿，使得第四齿与第三齿分开粗光频梳的频率间隔，其中，通过设置用于粗光频梳的谐振器的自由谱范围（FSR）、使得细光频梳的输出与粗光频梳的输出之间的拍频对应于与第二齿对准的第四齿来将第四齿锁定到第二齿，其中，通过使用公共泵激光器来泵送细光频梳和粗光频梳或通过将第一泵激光器用于细光频梳且将第二泵激光器用于粗光频梳中的一个来将第三齿锁定到第一齿，其中，将第一泵激光器和第二泵激光器相互锁定。

Claims (3)

1.一种光频参考（100），包括：

第一微谐振器（306，408）和第二微谐振器（302,402）；和

至少一个泵浦激光器，其被配置成：

对第一微谐振器（306，408）进行泵浦，以生成细光频梳（102），具有第一齿（110）和被锁定到射频参考的分数或整数倍的齿之间的频率间隔FCS（106）；以及

对第二微谐振器（302，402）进行泵浦，以生成粗光频梳（104），其具有被锁定到第一齿（110）的第二齿（112）和被锁定到FCS（106）的整数倍的齿之间的频率间隔CCS（108），其中，设置粗光频梳的至少一个齿的绝对光频。

2.权利要求1的光频参考（100），其中，通过将粗光频梳（104）的第三齿（116）锁定到细光频梳（102）的第四齿（118）来将CCS（108）锁定到所述FCS（106）的整数倍。

3.一种用于将两个光频梳相互参考的方法，该方法包括：

通过用至少一个泵浦激光器对第一微谐振器进行泵浦来生成细光频梳；

通过用至少一个泵浦激光器对第二微谐振器进行泵浦来生成粗光频梳；

将所述细光频梳的第一齿锁定到所述粗光频梳的第二齿；

将细光频梳的频率间隔锁定到射频参考的分数或整数倍；

将粗光频梳的频率间隔锁定到细光频梳的频率间隔的整数倍；以及

设置粗光频梳的频率偏移，其中，设置频率偏移包括将粗光频梳的两个齿自参考或者将粗光频梳的至少一个齿参考到足够稳定的激光器中的一个。