具有高光学反馈容忍度的单模单片耦合腔激光器，采用高Q值的变形方形微腔结构

《Optics & Laser Technology》：Highly optical feedback-tolerant single-mode monolithic coupled-cavity laser with a high- Q deformed square microcavity

提出并实验验证了一种基于双环光电振荡器与参数频率混频器的稳定飞秒电光频率梳生成方案。该方案通过光注入半导体激光器的P1振荡态实现微波信号选择，结合1 km单模光纤提升Q值和脉冲压缩，最终获得10.20-18.21 GHz可调重复频率、～300 fs脉宽的频率梳，具有低相位噪声、结构简单等优势，适用于精密测量等领域。

　　这项研究提出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光电子频率梳（EOFC）生成方案，并通过实验验证了其可行性。光电子频率梳是一种由均匀分布的频率成分组成的光谱，具有相干和稳定的相位关系。它在高精度测量、任意波形生成、远程传感、密集波分复用以及信号处理等领域具有广泛的应用。其中，飞秒级的脉冲宽度是提升频率梳在时间分辨率和频率精度方面性能的关键因素。因此，如何实现飞秒级的脉冲压缩成为研究的重点。

传统的频率梳生成方法主要包括锁模激光器（MLLs）和外部调制技术。锁模激光器可以产生具有宽频带和高稳定性的频率梳，但其重复频率通常限制在GHz范围内。此外，锁模状态的启动和维持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，这使得其在实际应用中存在一定的复杂性。相比之下，外部调制技术由于其无需腔体结构、可调节重复频率以及具有持续频率稳定性的特点，成为生成光电子频率梳的常用方法。然而，相位调制器（PMs）虽然常用于生成EOFCs，但需要额外的组件如双正弦波驱动和啁啾光纤布拉格光栅来平滑功率谱，这限制了生成的梳线数量。因此，为了生成更多的梳线，通常需要级联多个调制器。例如，使用两个级联的PMs和啁啾布拉格光栅，或级联强度调制器（IMs）和PMs。然而，这些方案的主要限制因素是驱动射频（RF）信号的固有幅度限制。调制激光器的相位噪声随着边带阶数增加而线性增长，因此在理想条件下，相位噪声的斜率可以近似等于RF相位噪声的水平。然而，随着梳线数量的增加，调制激光器的相位噪声会逐渐恶化。

为了解决这一问题，近年来研究人员尝试利用半导体激光器的级联注入技术来实现宽频带和窄线宽的频率梳。例如，在文献[11]中，通过级联注入半导体激光器，并使用外部微波信号对注入光束进行调制，实现了谐波注入锁定到Period-one（P1）动态，从而生成具有较宽频率范围和良好性能的频率梳。然而，由于半导体激光器和外部微波源的相位噪声较高，限制了生成频率梳的质量。

光电子振荡器（OEOs）在生成低相位噪声的自激微波信号方面表现出色，具有较大的频率范围，因此被广泛应用于基于调制器的EOFC生成系统中。此外，一些研究提出了使用电吸收调制激光器或垂直腔面发射激光器的自振荡EOFC生成方案。然而，这些方案中频率选择通常依赖于具有窄通带的电气滤波器，这限制了重复频率的可调性。同时，电光调制器的有限调制深度也限制了边带频率成分的生成。例如，Zhou P. 等人提出了一种利用光注入到OEO中生成可调频率的光学脉冲的方法，其脉冲宽度低于20 ps，并且在10 kHz处的单边带相位噪声达到–101 dBc/Hz。虽然这种方法在频率调谐方面表现出一定优势，但其脉冲持续时间仍处于皮秒量级，未能达到飞秒级别。

为了进一步提升脉冲压缩效果，研究人员采用了非线性光谱展宽技术，如在高非线性光纤（HNLF）中进行的四波混频（FWM）。这些技术能够有效扩展EOFC的频谱范围，并将脉冲压缩到飞秒量级。然而，这类方法通常伴随着系统复杂性的增加，或对重复频率的可调性造成一定限制。

本文提出的方案则结合了光注入双环光电子振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器，旨在实现一种具有可调重复频率和高稳定性的飞秒EOFC。DL-OEO由强度调制器（IM）和相位调制器（PM）级联构成，并包含两个长度相同的光电子反馈环路。通过将光注入到具有P1状态的半导体激光器中，可以实现对微波信号的频率选择，并获得较大的频率调谐范围。实验中通过调节光注入功率，实现了重复频率从10.21 GHz到18.21 GHz的可调性。同时，引入1公里的单模光纤（SMF）作为DL-OEO的反馈路径，不仅提高了OEO的腔体Q值，从而改善了生成的微波信号质量，还利用了SMF的负色散特性，以抵消相位调制所引起的正啁啾，实现了对光学脉冲的压缩，使其脉冲宽度达到3.6 ps。因此，通过光注入DL-OEO可以生成具有相应重复频率的种子EOFC。随后，利用参量频率混频器进行光谱展宽，进一步压缩脉冲宽度至飞秒量级。为了确保脉冲宽度的一致性，通过调整光谱宽度实现了色散管理。最终，该方案生成了一种具有可调重复频率、稳定脉冲宽度和良好性能的飞秒EOFC。

本文的研究方案具有多个显著优势。首先，其结构较为简单，减少了系统的复杂性。其次，频率梳的平坦度良好，能够有效覆盖较宽的频率范围。此外，梳线间距具有较高的灵活性，可以根据实验需求进行调整。同时，相位噪声较低，确保了频率梳在频率域中的稳定性。此外，载波噪声也得到了有效控制，进一步提升了系统的性能。这些特点使得该方案在多个应用领域中展现出广阔的发展前景，包括高精度测量、光学通信、量子计算等。

在实验实现过程中，首先需要配置一个主激光器（ML），其输出光信号通过一系列光学组件，包括偏振控制器（PC）、强度调制器（IM）、可调光学衰减器（ATT）以及光隔离器（CIR）注入到一个无隔离器的分布式反馈激光器（DFB-LD）中。主激光器的输出光频率（f_m）被注入到自由运行的DFB-LD（f_s）中，且注入频率高于DFB-LD的自由运行频率。通过这种方式，可以激发DFB-LD进入P1振荡状态，从而实现对微波信号的频率选择。P1振荡状态的特征是具有良好的频率稳定性和较低的相位噪声，使得其成为频率梳生成的理想选择。

为了实现频率的可调性，实验中采用了可调光学衰减器，通过调节注入光的强度，可以改变主激光器与DFB-LD之间的频率偏移，从而实现对重复频率的调控。同时，通过引入1公里的单模光纤作为反馈路径，不仅提高了系统的稳定性，还利用了光纤的色散特性，有效抵消了相位调制所引起的啁啾，从而实现对脉冲的压缩。此外，为了进一步压缩脉冲宽度，将压缩后的脉冲送入参量频率混频器，通过非线性相互作用扩展光谱范围，并进一步压缩脉冲宽度至飞秒量级。在这一过程中，通过调整光谱宽度实现了色散管理，从而确保脉冲宽度的一致性。

实验结果表明，该方案成功实现了具有可调重复频率的飞秒EOFC，其重复频率范围为10.20 GHz至18.21 GHz，脉冲宽度约为300 fs，光谱宽度达到20.75 nm，且能够生成216条梳线。这些结果表明，该方案在频率梳的生成和脉冲压缩方面具有显著的优势。同时，实验中还对单边带相位噪声进行了测量，结果表明在10 kHz处的相位噪声达到了–101 dBc/Hz，显示出良好的频率稳定性。此外，由于采用了光注入和双环结构，该方案能够有效降低系统中的载波噪声，进一步提升了频率梳的质量。

该研究的创新点在于结合了光注入双环光电子振荡器和参量频率混频器，通过优化系统的结构和参数，实现了飞秒级的脉冲压缩和可调的重复频率。相比传统的频率梳生成方法，该方案不仅在结构上更为简单，而且在性能上具有更高的稳定性和更低的噪声。此外，该方案的灵活性使得其能够适应不同的应用需求，例如在高精度测量中，飞秒级的脉冲宽度可以显著提高时间分辨率和频率精度；在光学通信中，宽频带和高稳定性的频率梳可以提高信号传输的效率和可靠性；在量子计算中，高精度的频率梳可以用于量子态的操控和测量；在信号处理中，频率梳可以作为高精度的参考信号，用于各种信号分析和处理任务。

此外，该研究还对系统的各个组成部分进行了详细分析，包括主激光器、强度调制器、相位调制器、可调光学衰减器、光隔离器以及单模光纤等。这些组件在系统中各司其职，共同作用以实现频率梳的生成和脉冲压缩。例如，主激光器作为光源，其频率稳定性直接影响频率梳的质量；强度调制器和相位调制器用于对光信号进行调制，以生成频率梳所需的边带频率成分；可调光学衰减器用于调节注入光的强度，从而实现对重复频率的调控；光隔离器用于防止光信号的反向传播，确保系统的稳定性；单模光纤则用于实现反馈路径和色散管理，提高系统的性能和稳定性。

综上所述，本文提出的方案在飞秒EOFC的生成方面具有显著的优势，不仅实现了高稳定性和低噪声的频率梳，还通过优化系统的结构和参数，提高了频率梳的灵活性和适用性。该方案的成功应用为未来在高精度测量、光学通信、量子计算等领域的研究提供了新的思路和方法。同时，该研究也为相关领域的技术发展奠定了基础，为实现更高质量的频率梳提供了可行的路径。