基于光注入式DL-OEO和参量频率混频器的飞秒EOFC，具有可调谐特性和高重复频率

《Optics & Laser Technology》：Femtosecond EOFCs with tunable and high repetition frequency based on optically injected DL-OEO and parametric frequency mixer

本文提出并实验验证了一种基于双环光电振荡器（DL-OEO）和参数频率混合器的稳定飞秒电光频率梳生成系统。通过光注入DFB激光器实现P1振荡态，结合1公里单模光纤压缩脉冲至约300 fs，再经参数混合器进一步压缩至飞秒量级。实验获得重复频率10.20-18.21 GHz、光谱宽度20.75 nm、216条梳线的电光频率梳，具有结构简单、低相位噪声等优势，适用于精密测量、光学通信等领域。

　　本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电光频率梳（EOFC）生成方案，并通过实验成功验证了该方法的有效性。频率梳作为一种由等间距频率成分组成的光谱结构，其相干且稳定的相位关系使其在高精度测量、任意波形生成、遥感、密集波分复用以及信号处理等领域具有广泛的应用价值。其中，飞秒级频率梳因其极短的脉冲宽度和极高的时间分辨率，尤其适用于对精度要求极高的场景。然而，传统方法在生成飞秒级频率梳时面临诸多挑战，例如生成的脉冲宽度受限、相位噪声较高、频率选择范围有限等。因此，开发一种结构简单、性能优越的飞秒EOFC生成方案具有重要意义。

在本研究中，采用了一种创新的双环光电子振荡器结构，结合光学注入技术和参量频率混频技术，成功实现了飞秒级频率梳的生成。双环光电子振荡器由强度调制器（IM）和相位调制器（PM）组成，两个光电子反馈环具有相同的长度。通过将半导体激光器设置为Period-one（P1）状态，并利用光学注入来选择振荡的微波信号，使得频率梳的重复频率具有良好的可调性。同时，通过引入1公里的单模光纤（SMF），不仅提高了系统的腔体品质因数（Q值），从而提升了生成的微波信号质量，还利用了光纤的负色散特性，有效补偿了相位调制所引入的正啁啾，从而实现了光脉冲的压缩。经过初步压缩后的脉冲被送入参量频率混频器，进一步压缩脉冲宽度至飞秒量级。随后，通过另一段15米的SMF进行二次脉冲压缩，同时对脉冲宽度进行管理，确保其一致性。最终，系统能够生成具有可调重复频率（从10.20 GHz到18.21 GHz）且脉冲宽度稳定在约300 fs的飞秒EOFC。

在实验中，我们观察到了频率梳的脉冲宽度能够被有效压缩至300 fs，其10 dB谱宽达到20.75 nm，总共有216条梳齿。这些结果表明，该方案在生成高精度、高稳定性的飞秒EOFC方面具有显著优势。与传统方法相比，该方案不仅结构更加简单，而且在频率选择范围、脉冲宽度控制以及相位噪声抑制等方面表现出更高的灵活性和性能。此外，该方法还具备较低的载波噪声，为后续的高精度应用提供了良好的基础。

飞秒EOFC的生成过程可以分为几个关键步骤。首先，通过光学注入技术，将主激光器（ML）的光信号注入到从属激光器（SL）中，以激发其进入P1振荡状态。主激光器具有极高的波长稳定性，这有助于提高频率梳的整体性能。在注入过程中，通过调节光学注入功率，可以实现微波信号频率的精确调节，从而获得所需的重复频率范围。接下来，主激光器的光信号依次经过偏振控制器（PC）、强度调制器（IM）和可调光学衰减器（ATT），再通过光隔离器（CIR）注入到SL中。这一过程确保了光信号的稳定性和相干性，为后续的频率梳生成奠定了基础。

在双环光电子振荡器中，强度调制器和相位调制器被级联使用，以增强系统的频率选择能力和稳定性。两个反馈环的长度相同，使得系统能够实现对微波信号的精确控制。通过调整反馈环中的参数，可以进一步优化频率梳的性能，包括其重复频率的可调范围以及脉冲宽度的压缩效果。此外，光纤的引入不仅提升了系统的稳定性，还为脉冲压缩提供了物理基础。1公里的SMF具有较高的负色散特性，能够有效抵消相位调制所引起的正啁啾，从而实现光脉冲的压缩。在这一过程中，光纤的长度和色散特性起到了关键作用，使得脉冲宽度能够被进一步压缩至飞秒量级。

在完成初步脉冲压缩后，系统将生成的脉冲送入参量频率混频器。这一过程利用了非线性光学效应，进一步扩展了频率梳的带宽，并实现了脉冲宽度的进一步压缩。参量频率混频器的作用在于将初始的脉冲信号进行非线性混频，从而生成更宽的频率范围和更短的脉冲宽度。经过参量混频后的脉冲再次进入另一段15米的SMF，以进行二次脉冲压缩。通过合理设计光纤的长度和色散特性，可以实现对脉冲宽度的精确控制，确保其在不同重复频率下的稳定性。

在本研究中，我们特别关注了脉冲宽度的一致性问题。由于频率梳的脉冲宽度在不同频率下可能发生变化，因此需要对系统进行精确的色散管理。通过调整系统的参数，例如光学注入功率、反馈环的长度以及光纤的色散特性，可以实现对脉冲宽度的统一控制，确保其在不同重复频率下的稳定性。这一过程不仅提高了频率梳的性能，还为其在高精度测量和通信等领域的应用提供了保障。

此外，本研究的创新点在于结合了光学注入技术和双环光电子振荡器结构，以实现频率梳的高可调性和低相位噪声。传统的EOFC生成方法通常依赖于单一的调制器或外部滤波器，这在一定程度上限制了频率梳的可调范围和性能。而本方案通过级联调制器和优化反馈环的结构，使得频率梳的重复频率能够在一个较宽的范围内进行调节，同时保持较低的相位噪声和载波噪声。这一特点使得该方案在实际应用中具有更高的灵活性和适应性。

在实验中，我们通过调节光学注入功率，成功实现了频率梳重复频率的调节范围从10.20 GHz到18.21 GHz。这一范围涵盖了多个微波频率段，为不同应用场景下的频率梳生成提供了广泛的选择空间。同时，通过合理设计光纤的长度和色散特性，我们能够将脉冲宽度压缩至约300 fs，这一结果在当前的飞秒EOFC研究中具有较高的竞争力。实验中还观察到，频率梳的10 dB谱宽达到了20.75 nm，表明其在频谱覆盖范围和稳定性方面均表现出色。

本研究的成果在多个领域具有广阔的应用前景。首先，在高精度测量中，飞秒EOFC能够提供极高的时间分辨率和频率精度，使其成为测量原子跃迁频率、时间标准校准等高精度任务的理想工具。其次，在光学通信领域，飞秒EOFC可以用于生成高密度的频率通道，从而提高通信系统的传输速率和容量。此外，在量子计算和光谱分析中，飞秒EOFC的高精度和稳定性也能够为相关研究提供强有力的支持。

值得注意的是，本研究中所采用的双环光电子振荡器结构和参量频率混频技术，不仅在飞秒EOFC的生成中表现出色，还为其他类型的频率梳生成提供了新的思路。通过优化调制器的参数和反馈环的设计，可以进一步提升频率梳的性能，同时降低系统的复杂性和成本。这为未来在不同应用场景下开发高性能的频率梳系统提供了重要的技术基础。

在实验验证过程中，我们采用了多种技术手段来确保系统的稳定性和性能。首先，通过调节光学注入功率，我们能够精确控制频率梳的重复频率，使其在较宽的范围内变化。其次，通过合理选择光纤的长度和色散特性，我们实现了对脉冲宽度的有效压缩，从而获得飞秒级的脉冲。此外，通过调整系统的参数，我们还确保了脉冲宽度的一致性，避免了因频率变化而引起的脉冲宽度波动。这些技术手段的结合，使得本研究提出的方案在实际应用中具有更高的可行性和可靠性。

从实验结果来看，本研究提出的方案在多个关键性能指标上均表现出色。首先，频率梳的重复频率具有良好的可调性，能够覆盖从10.20 GHz到18.21 GHz的范围。其次，脉冲宽度被成功压缩至约300 fs，这在飞秒EOFC的研究中是一个显著的突破。第三，频率梳的10 dB谱宽达到了20.75 nm，表明其在频谱覆盖范围和稳定性方面均达到较高水平。最后，系统具备较低的相位噪声和载波噪声，这有助于提高频率梳在高精度测量和通信等领域的应用性能。

本研究的实验结果表明，该方案在生成飞秒EOFC方面具有较高的效率和稳定性。通过优化系统的结构和参数，我们能够实现对频率梳的精确控制，同时确保其在不同重复频率下的性能一致性。此外，该方案的结构相对简单，降低了系统的复杂性和成本，使其在实际应用中更具优势。这些成果不仅为飞秒EOFC的生成提供了新的技术路径，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。

在未来的应用中，本研究提出的方案可以进一步优化，以适应更多复杂和高要求的场景。例如，可以通过改进调制器的设计，提高系统的频率选择范围和稳定性；或者通过引入更先进的光纤材料，进一步优化脉冲压缩的效果。此外，还可以结合其他非线性光学技术，如四波混频（FWM）等，以拓展频率梳的带宽和性能。这些优化措施将进一步提升飞秒EOFC在高精度测量、光学通信和量子计算等领域的应用价值。

综上所述，本研究提出了一种基于双环光电子振荡器和参量频率混频器的飞秒EOFC生成方案，并通过实验验证了其可行性。该方案在频率梳的重复频率可调性、脉冲宽度压缩效果以及系统稳定性等方面均表现出色，为相关领域的研究和应用提供了新的思路和技术支持。未来，随着技术的不断进步，该方案有望在更多高精度和高稳定性的应用场景中得到广泛应用。