利用频域极化特征进行多模态水下图像增强

《Optics and Lasers in Engineering》：Exploiting frequency-domain polarization cues for multimodal underwater image enhancement

稳定飞秒电光频率梳生成方法及实验验证基于双环光电振荡器与参数混频器，实现10.20-18.21 GHz可调重复频率，脉冲宽度约300 fs，光谱宽度20.75 nm，216条梳线，适用于精密测量、光通信等领域。

　　本文介绍了一种基于双环光电子振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器的稳定飞秒电光频率梳（EOFC）生成方法，并通过实验验证了该方法的可行性。该方法不仅实现了高重复频率和可调的频率梳，还显著提升了脉冲宽度的压缩能力，从而在多个领域展现出广阔的应用前景。

频率梳是一种由均匀分布的频率成分构成的光谱，其各个频率之间具有相干且稳定的相位关系。频率梳技术广泛应用于精密测量、任意波形生成、遥感、密集波分复用和信号处理等领域。其中，在精密测量中，频率梳的脉冲宽度是影响其性能的关键因素之一。脉冲宽度的调整直接关系到频率梳在频率域中的分布特性，而超短脉冲宽度则有助于提升频率梳的时间分辨率和频率精度。

目前，频率梳的生成方法主要包括锁模激光器（MLLs）和外部调制两种。锁模激光器可以产生宽带且高稳定性的频率梳，但其重复频率通常限制在GHz范围内，同时启动和维持锁模状态的技术难度较大，需要良好的热和声学隔离，以及稳定的光学参考或载波包络偏移（CEO）稳定方案。相比之下，外部调制方法因其无需腔体、可调重复频率和持久的频率稳定性，被广泛应用于电光频率梳的生成。然而，传统外部调制方法中，相位调制器（PMs）虽然常用于生成EOFC，但其需要额外的组件如双正弦波驱动器和啁啾光纤光栅来实现功率谱的平坦化，这在一定程度上限制了生成的频率梳线条数量。因此，为了增加频率梳的线条数，通常需要将多个调制器级联使用。例如，使用两个级联的相位调制器和一个啁啾光纤光栅，或使用强度调制器（IMs）和相位调制器的级联系统。然而，这种方案中，频率梳线条数的限制主要来自于驱动射频（RF）信号的幅度限制，而随着频率梳线条数的增加，相位噪声也随之恶化。

为了解决上述问题，本文提出了一种新的方法，利用光注入的双环光电子振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器来生成飞秒级别的电光频率梳。DL-OEO由强度调制器（IM）和相位调制器（PM）组成，并包含两个长度相同的光电子反馈环路。通过将光注入到处于Period-one（P1）状态的半导体激光器中，可以实现对振荡微波信号的频率选择。该方法的关键在于，通过调整光注入功率，可以实现微波频率的广泛调谐，实验中实现了从10.21 GHz到18.21 GHz的频率范围。此外，通过引入1公里的单模光纤（SMF）作为反馈路径，可以提升OEO的腔体Q因子，从而改善生成的微波信号质量。同时，该光纤还能利用其负色散特性来补偿相位调制带来的正啁啾效应，实现对光脉冲的压缩，将其宽度压缩至3.6 ps。因此，通过光注入的DL-OEO，可以生成具有相应重复频率的种子EOFC。

为了进一步压缩脉冲宽度至飞秒级别，种子EOFC被送入参量频率混频器进行谱宽扩展。在参量混频过程中，光脉冲的啁啾特性被进一步利用，使其在通过另一段15米的SMF后，脉冲宽度被压缩至约300 fs。为了确保脉冲宽度的一致性，还采用了谱宽管理的方法，通过调整谱宽来实现脉冲宽度的稳定。最终，该方法成功生成了一种具有可调重复频率（10.20 GHz至18.21 GHz）和一致脉冲宽度（约300 fs）的C波段电光频率梳。

该方法的优势在于其结构简单、谱平坦度良好、频率梳间距灵活、相位噪声低以及载波噪声小。与传统的外部调制方法相比，该方法不仅提高了频率梳的线条数量，还实现了更宽的频率调谐范围，同时保持了较低的相位噪声水平。此外，通过引入光纤的色散管理，进一步提升了脉冲压缩的效率和质量，为飞秒电光频率梳的生成提供了新的思路。

在实验中，通过光注入的DL-OEO系统，成功实现了对微波频率的调谐，并生成了具有超短脉冲宽度的频率梳。该系统中的主激光器（ML）通过偏振控制器（PC）、强度调制器（IM）、可调光衰减器（ATT）和光隔离器（CIR）注入到从属激光器（SL）中。SL为无隔离器的分布式反馈激光器（DFB-LD），其工作频率低于主激光器的频率，从而激发其进入P1振荡状态。通过调节光注入功率，可以控制微波频率的范围，从而实现频率梳的可调性。在实验过程中，频率梳的脉冲宽度被压缩至约300 fs，谱宽达到20.75 nm，且包含了216条频率梳线。

值得注意的是，该方法在频率梳的生成过程中，避免了传统外部调制方法中对额外组件的依赖，从而简化了系统结构。同时，通过光纤的色散管理，不仅提高了脉冲压缩的效率，还增强了频率梳在时间域和频率域中的稳定性。此外，该方法还能够在较宽的频率范围内保持较低的相位噪声水平，这对于精密测量和高精度信号处理等应用具有重要意义。

本研究的成果为飞秒电光频率梳的生成提供了一种新的技术路径，不仅拓展了频率梳的频率调谐范围，还显著提升了脉冲宽度的压缩能力。该方法在结构上相对简单，便于集成和应用，同时在性能上表现出良好的稳定性和低噪声特性。因此，该方法在精密测量、光学通信、量子计算等高要求的领域中具有重要的应用价值。此外，该技术还可以进一步优化，以适应更复杂的应用场景，如高带宽通信系统、超快光学信号处理和高精度光谱分析等。

为了实现飞秒级别的脉冲压缩，本文采用的参量频率混频器发挥了关键作用。参量混频是一种利用非线性光学效应来扩展频率梳谱宽的方法，通过该过程，光脉冲的啁啾特性被进一步放大，从而在后续的脉冲压缩阶段中实现更高效的压缩效果。在实验中，参量混频后的脉冲经过另一段15米的单模光纤，其色散特性被优化，使得脉冲宽度进一步缩小至约300 fs。这种基于光纤色散管理的脉冲压缩方法，不仅提高了频率梳的性能，还为飞秒脉冲的生成提供了可靠的手段。

此外，本文还探讨了频率梳生成过程中可能面临的挑战和解决方案。例如，在传统的频率梳生成方法中，频率梳的线条数量受到驱动射频信号幅度的限制，而本文通过DL-OEO和参量混频的结合，成功克服了这一限制，实现了更高密度的频率梳生成。同时，由于频率梳的脉冲宽度与相位噪声密切相关，因此在设计过程中需要对相位噪声进行有效控制。通过引入光纤的色散管理，不仅能够补偿相位调制带来的啁啾效应，还能有效降低相位噪声，从而提升频率梳的稳定性。

本研究的实验结果表明，该方法在生成飞秒级电光频率梳方面具有显著的优势。实验中，频率梳的脉冲宽度被压缩至约300 fs，谱宽达到20.75 nm，且重复频率可在10.20 GHz至18.21 GHz之间进行调节。这些性能指标表明，该方法不仅能够满足高精度测量和信号处理的需求，还能在光学通信等高速传输系统中发挥重要作用。此外，该方法还具有良好的可扩展性，未来可以进一步优化和改进，以适应更复杂的应用场景。

综上所述，本文提出并验证了一种基于光注入双环光电子振荡器和参量频率混频器的飞秒电光频率梳生成方法。该方法通过光注入和级联系统的结合，实现了频率梳的可调性和高重复频率，同时通过光纤的色散管理，有效压缩了脉冲宽度。实验结果表明，该方法在结构和性能上均具有显著优势，为飞秒频率梳的生成提供了一种新的技术方案，具有广阔的应用前景。