CN110731052A - 光学频率梳偏移频率的量子干涉检测 - Google Patents

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Abstract

提出了用于确定频率梳的偏移频率的方法。该方法包括：生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束；将光束指向材料上的入射点；以及检测由光束引起的材料中的光电流的振荡。值得注意的是，光束具有包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光的光学带宽，其中，第一频率小于第二频率，并且第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，以及n和i为正整数。另外，材料具有带隙并且带隙不大于第一频率的n倍。

Description

光学频率梳偏移频率的量子干涉检测
政府条款
本发明是根据由NAVY-SPAWAR授予的批准号N6601-15-1-4050以及由DOD/DARPA授予的批准号HR0011516448在政府支持下作出的。政府对本发明具有一定权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月12日提交的美国临时申请第62/505,285号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及用于确定光学频率梳的偏移频率的改进的方法。
背景技术
光学频率梳对一系列的技术具有重大且持续的影响。光学频率梳提供了将由任意大的频率差分开的光信号相干地链接以及将光学频率链接到无线电频率的能力。最初，对于梳的兴奋是由于梳在光学频率计量(即，对光的频率进行绝对测量)以及开发光学原子钟的反问题中的应用。然而，梳的应用一直在稳步扩展。这些包括相干通信和双梳光谱的发展，其中双梳光谱与传统方法相比可以更快地并且以更小的包产生更高的分辨率。
对于锁模激光器频率梳，稳定和控制梳偏移频率是必要的。测量偏移频率的最常见方案是f-2f自参考。f-2f自参考的一种实现方式是检测由跨半导体隙的同时单光子和双光子吸收引起的光电流的量子干涉控制(QuIC)。该QuIC自参考方案已用于测量和稳定钛:蓝宝石激光器频率梳的载波包络相位。然而，该方案和所有其他f-2f方案均需要跨越至少倍频程(即，频率上的两倍)的频谱。
该部分提供了与本公开内容相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
发明内容
本部分提供了本公开内容的总体概述，而不是对其全部范围或全部特征的全面公开。
提出了一种用于确定频率梳的偏移频率的方法。该方法包括：生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，光束具有光学带宽，该光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，使得第一频率小于第二频率，并且第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，并且n和i为正整数；将光束指向材料上的入射点，其中，材料具有带隙并且带隙不大于第一频率的n倍；以及检测由光束引起的材料中的光电流的振荡。
在一个实施方式中，第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+1，m为大于1的整数，并且n为正整数。更具体地，第二频率与第一频率之比可以是3∶2。
光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。
可以使用锁模激光器生成第一光束。
光束的重复率可以在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。
将材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。
在一些情况下，材料具有大于第一频率的两倍但小于第一频率的三倍的带隙。
可以通过测量光电流的振荡的频率(例如，使用在材料的表面上设置的电极)来检测光电流的振荡。
在一些实施方式中，光电流的振荡横向于光的传播方向流过材料。材料被布置成使得光束不沿材料的对称轴传播。
在另一实施方式中，光电流的振荡平行于光的传播方向流过材料。
另外的适用领域根据本文中所提供的描述将变得明显。该概述中的描述和具体示例仅旨在出于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅出于对选择的实施方式而非所有可能的实现方式的说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。
图1是使用单光子和双光子吸收的量子干涉控制过程的示意图；
图2是示出用于确定频率梳的偏移频率的改进的方法的流程图；
图3是用于确定由激发光束呈现的频率梳的偏移频率的系统的图；
图4A至图4E是示出其中光电流垂直于光的传播方向流过材料的不同布置的图；
图5是其中光电流平行于光的传播方向流过材料的布置的图；
图6是用于说明所提出的用于确定频率梳的偏移频率的方法的实验设置的图，其中，DDS：直接数字合成器；DM：二色镜；EDFA：掺铒光纤放大器；f0为梳偏移频率；FM：折叠镜；HPF：高通滤波器；LA：锁定放大器；LPF：低通滤波器；PBS：偏振分束器；PD：光电二极管；SCG：超连续谱生成；SPF：短通滤波器；TS：平移台；以及YDFA：掺镱光纤放大器；
图7A是示出仅由1040nm的光束、仅由1560nm的光束以及由未被阻挡的1560nm和1040nm的光束两者诱导的量子干涉控制电流的RF频谱的曲线图；以及
图7B是示出当偏移频率从2kHz到60kHz变化时的频谱的曲线图。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。
作为背景，可以使用注入光电流的量子干涉控制(QuIC)来确定频率梳的偏移频率。在该方法中，如图1中所看到的，同时由单光子和双光子吸收在半导体的导带中生成光载流子。这两个路径的量子干涉取决于电子的动量以及光的相对相位两者。净效应是动量空间中电子分布的相位依赖性失衡，这等效于相位依赖性光电流。即使没有偏置也存在光电流，因此光电流通过QuIC过程被直接注入。具体地，针对倍频程跨越脉冲的电流注入率为
Figure BDA0002309108300000031
其中，Ef(E2f)为频率f(2f)处光的电场，以及φCE为脉冲的载波包络相位。对于具有演变式载波包络相位的脉冲列，电流将在相应梳的偏移频率处振荡。
在本公开内容中，提出了测量梳偏移频率的新的双光子-三光子(2p-3p)自参考QuIC方案。该方案基于由双光子吸收过程和三光子吸收过程的量子干涉诱导的光电流。该方案的一个优点是，类似于光学2f-3f自参考，所需带宽减小。此外，与两个场的吸收长度由于2f处光的强的超越带隙单光子吸收而不匹配的单光子-双光子QuIC方案相比，在2p-3pQuIC中，f场和3/2f场两者的吸收长度均大于数十微米，这是因为两个光场的光子能量均低于带隙能。因此，单光子吸收受到极大地抑制，从而允许设计使用波导的集成装置。
图2进一步示出了所提出的用于确定频率梳的偏移频率的方法。在21处生成光束，该光束具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形。在一个实施方式中，光束的波形由时域中的一系列光脉冲限定。脉冲的重复率优选地在10兆赫兹与10吉赫兹的范围内。注意，光束具有足够大的光学带宽，使得光束包括以第一频率传播的光以及以第二频率传播的光，其中，第一频率小于第二频率。
一般而言，第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，以及n和i为正整数。在一个实施方式中，第二频率与第一频率之比可以是n∶m，其中，n＝m+1，m为大于1的整数，以及n为正整数。在另一实施方式中，第二频率与第一频率之比基本上为3∶2(或1.5)。例如，光束可以包括1040nm和1560nm的光。这些值仅是说明性的，而不旨在限制。在一般规则内可以设想其他比率。
如22处所示，将光束指向(并入射到)样本。样本包括具有带隙的材料，并且带隙不大于第一频率的n倍。更具体地，材料的带隙优选地大于第一频率的两倍但小于第一频率的三倍。在第一频率对应于波长为1040nm的光的情况下，样本可以包括带隙为1.912eV(648.4nm)的砷化铝镓。即，带隙不大于第一频率的三倍。同样，这些值仅是说明性的，而不旨在进行限制。应当理解的是，取决于应用，可以使用不同类型的材料，包括半导体和绝缘体。
光束在样本中引起光电流。在23处，检测光电流的振荡。本公开内容设想了不同检测方法。例如，可以使用在样本的表面上放置的电极来电测量光电流的振荡的频率。
在另一示例中，由光电流引起的辐射可以被检测，并且提供对振荡的频率的指示。通过量子干涉过程注入电流等效于材料中电子的快速加速。电磁理论的基本结果是加速电荷(这里为电子)辐射电磁波。因此，通过量子干涉注入电流导致电磁波的辐射。这些波的频率通过电流加速的时间尺度来确定。对于单个脉冲，该时间尺度为亚皮秒，辐射处于太赫兹频率，但具有已被检测到的非常大的带宽。然而，许多脉冲(或波形的重复)的累积效应将使辐射电磁波的分量提高到梳偏移频率，并且是其整数倍。在任何情况下，振荡的频率对应于由激发光束呈现的频率梳的偏移频率。
图3描绘了用于确定由激发光束呈现的频率梳的偏移频率的系统30。系统30通常包括频率梳光源31、样本32和检测器33。应当理解，关于图3仅讨论了相关组件，但是可能需要其他部件来实现整体系统。
在示例实施方式中，频率梳光源31是基于光纤的飞秒激光源，其采用非线性光学环镜锁模机制。了解关于示例性飞秒激光源的其他细节，可以参照从Menlo Systems能商购得到的C-光纤飞秒光纤激光器。容易理解，可以使用光源和调制器的其他布置来实现频率梳光源，并且该其他布置落入本公开内容的范围内。
将由频率梳光源31生成的光束指向样本上的入射点。如图4A至图4D所示，可以使用不同波导布置。在这些示例中，入射点41在伸长式波导40的一端。波导40包括被支承在砷化镓层顶部上的砷化铝镓层。在图4A和图4B中，轨42由砷化铝镓的顶层一体地形成，并且从波导的顶表面向上突出。在图4A中，在波导40的顶表面上形成有两个电极43；然而，在图4B中，在波导的顶表面上形成有两对电极。在图4C和图4D中，轨42由在砷化镓层的顶部上沉积的多个砷化铝镓层形成。在图4C中，在砷化镓层的暴露的顶表面上形成有两个电极43；然而，在图4D中，在砷化镓层的暴露的顶表面上形成有两对电极。本公开内容设想了电极的其他布置。
在操作中，入射在波导上的光沿轨42的方向从波导的一端向波导的另一端传播。由光引起的光电流在两个相邻电极43之间流动。即，光电流横向于光的传播方向流过样本。为了检测光电流的振荡，将检测器33电耦接至电极43。在一个实施方式中，检测器33是锁定放大器。
图4E是其中光电流横向于光的传播方向流过样本的另一布置。在该示例中，在材料的顶表面上放置有电极43，并且光44从表面上方入射。特别地，光44入射在放置在材料表面上的两个电极43之间。材料可以是具有017中描述的性质的均匀块样本，或者其可以具有如图4E所示的具有定制性质的层。光电流在电极之间流动，并且因此横向于光在样本中的向下传播方向。为了检测光电流的振荡，将检测器33电耦接至电极43。
图5是其中光电流平行于光的传播方向流过样本的变型。入射光的电场矢量(偏振)始终横向于传播方向。如果偏振沿材料的对称轴，则诱导电流平行于偏振并且因此横向于传播方向流动。然而，如果偏振方向不平行于对称轴，则电流流动将不一定与其平行，而是可以具有在传播方向上的分量。最佳方向是当偏振相对于3个对称轴成45度取向时，尽管对于与沿对称轴的对准的任何偏离将出现一些平行电流。因为光始终入射表面，所以实现这些条件的最常见方法是通过切割晶体，即，表面相对于晶格如何取向。最佳情况被称为“111”切割。
在该示例中，光束入射在样本的顶表面上。当样本材料被布置成使得光束不沿材料的对称轴或对称平面传播时，产生的光电流平行于光的传播方向流动。即，光电流从顶部到底部流动。同样，电极43被布置在样本材料的顶部上并且在样本材料下面。这些仅是可以在所提出的系统中使用的一些示例性布置。
图6描绘了实验设置。激光系统是从Menlo Systems能商购得到的定制C-光纤激光系统。激光器输出不同波长的两个飞秒脉冲列：一个(400mW)以1560nm为中心，另一个(740mW)以1040nm为中心。两个光束的脉冲持续时间约为70fs，并且重复率为250MHz。使用在2f-3f自参考干涉仪中产生的外差拍音对激光梳的偏移频率进行光学测量，其中，利用BBO晶体使1040nm光束的频率加倍，并且利用PPLN晶体(PPLN被设计用于二次谐波发生，但其也产生弱的三次谐波)使1560nm光束的频率增至三倍。2f-3f拍音(beat note)的线宽约为400KHz。使用前馈技术来以较窄的线宽重置偏移频率。前馈设置还使得能够控制偏移频率。
然后，将光聚焦在分开约10μm的两个金电极之间的AlGaAs器件上。两个场偏振的取向均沿[010]晶体轴。由电极在[010]方向上检测电流。装置由在GaAs基板上外延生长的AlGaAs制成。AlGaAs的带隙在波长<700nm处，从而抑制了1040nm的线性吸收以及1560nm的双光子吸收。通过在1040nm光束的双光子吸收与1560nm光束的三光子吸收之间的量子干涉将光电流注入在AlGaAs中。
图7A示出了在以下三种不同条件下AlGaAs中诱导光电流的频谱：阻挡1560nm光束、阻挡1040nm光束、以及1040nm光束和1560nm光束两者均不受阻挡。半导体中的QuIC信号用作电流源而不是电压源；观察到的光电流信号为2nA，其中，在30KHz带宽信噪比为15dB。使用锁定检测测量的相同信号大于0.3mV(使用150kΩ负载电阻)，并且在1040nm和1560nm处的平均功率(点尺寸(spot size))分别为7mW(4.11±0.4μm，FWHM)和30mW(3.16±0.3μm，FWHM)。可以被操纵的另外的自由度是由前馈设置控制的CEO频率。通过将CEO频率从2KHz变至60KHz，可以观察到频谱中拍音的改变。
总之，在AlGaAs中检测由于干涉的双光子吸收过程和三光子吸收过程而引起的注入光电流的量子干涉控制。使用该QuIC光电流，光纤激光频率梳的载波偏移频率被测量。由于所需的带宽减小，并且集成结构中的波导检测将导致用于梳偏移的更紧凑的装置，因此该方案是有前景的。可以设想，可以采用该技术来实现直接片上数字光学合成器。
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当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接到”或者“耦接至”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上，接合、连接或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接到”或“直接耦合至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词应当以类似的方式来解释(例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。如在本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联列举的项目中的一个或更多个的任意和所有组合。
尽管在本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分。在本文中使用诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语时，除非由上下文清楚地指示，否则不暗含次序或顺序。因此，在不背离示例实施方式的教示的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语例如“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等来描述如图所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间相对术语可以旨在包含使用或操作中的装置除了在附图中描绘的取向以外的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为其他元件或特征“下方”或“之下”的元件的取向然后将在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以包含上方和下方的取向两者。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他取向)，并且本文中使用的空间相对描述符进行相应地解释。

Claims (39)

1.一种用于确定频率梳的偏移频率的方法，包括：
生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，所述光束具有光学带宽，所述光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，其中，所述第一频率小于所述第二频率，并且所述第二频率与所述第一频率之比为3∶2；
将所述光束指向材料上的入射点，其中，所述材料具有带隙并且所述带隙不大于所述第一频率的三倍；以及
检测由所述光束引起的所述材料中的光电流的振荡。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用锁模激光器生成第一光束。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束的重复率在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料具有大于所述第一频率的两倍但小于所述第一频率的三倍的带隙。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过测量光电流的振荡的频率来检测所述光电流的振荡。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：使用在所述材料的表面上设置的电极来检测所述光电流的振荡。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：检测横向于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述光电流的振荡还进行以下操作：布置所述材料，使得所述光束不沿所述材料的对称轴传播。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：检测平行于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，放大所述光束中所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，从所述光束中滤除所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。
14.一种用于确定频率梳的偏移频率的方法，包括：
生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，所述光束具有光学带宽，所述光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，使得所述第一频率小于所述第二频率，并且所述第二频率与所述第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+1，m为大于1的整数，并且n为正整数；
将所述光束指向材料上的入射点，其中，所述材料具有带隙并且所述带隙不大于所述第一频率的n倍；以及
检测由所述光束引起的所述材料中的光电流的振荡。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：使用锁模激光器生成第一光束。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束的重复率在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述材料具有大于所述第一频率的n倍但小于所述第一频率的m倍的带隙。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：通过测量光电流的振荡的频率来检测所述光电流的振荡。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：使用在所述材料的表面上设置的电极来检测所述光电流的振荡。
22.根据权利要求14所述的方法，还包括：检测横向于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，检测所述光电流的振荡还进行以下操作：布置所述材料，使得所述光束不沿所述材料的对称轴传播。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：检测平行于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。
25.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，放大所述光束中所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。
26.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，从所述光束中滤除所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。
27.一种用于确定频率梳的偏移频率的方法，包括：
生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，所述光束具有光学带宽，所述光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，使得所述第一频率小于所述第二频率，并且所述第二频率与所述第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，并且n和i为正整数；
将所述光束指向材料上的入射点，其中，所述材料具有带隙并且所述带隙不大于所述第一频率的n倍；以及
检测由所述光束引起的所述材料中的光电流的振荡。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括：使用锁模激光器生成第一光束。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述光束的重复率在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，将所述材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。
32.根据权利要求27所述的方法，其中，所述材料具有大于所述第一频率的n倍但小于所述第一频率的m倍的带隙。
33.根据权利要求27所述的方法，还包括：通过测量光电流的振荡的频率来检测所述光电流的振荡。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括：使用在所述材料的表面上设置的电极来检测所述光电流的振荡。
35.根据权利要求27所述的方法，还包括：检测横向于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。
36.根据权利要求27所述的方法，其中，检测所述光电流的振荡还进行以下操作：布置所述材料，使得所述光束不沿所述材料的对称轴传播。
37.根据权利要求36所述的方法，还包括：检测平行于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。
38.根据权利要求27所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，放大所述光束中所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。
39.根据权利要求27所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，从所述光束中滤除所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。
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