一种基于多层金纳米盘插层的UCNP异质超材料的双模折射率传感器

《Optics & Laser Technology》：A dual - mode refractive index sensor based on multilayer gold nanodisk - intercalated UCNP heterogeneous metamaterial

基于双环光电振荡器（DL-OEO）和参数频率混频器的稳定飞秒电光频率梳生成方法及实验验证。通过光注入半导体激光器实现P1振荡态，结合1 km单模光纤提升微波信号质量，脉冲宽度压缩至约300 fs，重复频率可调范围10.20-18.21 GHz，生成216条梳线的宽带C波段频率梳。该系统结构简单、相位噪声低，适用于精密测量、光通信和量子计算等领域。

　　本文介绍了一种基于双环光电子振荡器（DL-OEO）和参数频率混频器的稳定飞秒电光频率梳（EOFC）生成系统，并通过实验验证了其可行性。该系统旨在解决传统方法在生成高重复频率和飞秒级脉冲宽度频率梳时所面临的限制，同时提高系统的稳定性和适用性。

光频率梳是一种由均匀间隔频率成分组成的光谱，具有相干且稳定的相位关系。在诸如精密测量、任意波形生成、遥感、密集波分复用以及信号处理等领域，光频率梳有着广泛的应用。特别是在精密测量方面，频率梳的脉冲宽度是一个关键因素，它直接影响频率梳在频率域中的性能表现。脉冲宽度的变化会影响频率梳的频谱分布和特性，而超短脉冲宽度则有助于频率梳具备极高的时间分辨率和频率精度。

传统的光频率梳生成方法主要包括锁模激光器（MLLs）和外部调制。锁模激光器可以产生具有大带宽和高稳定性的频率梳，但其重复频率通常在GHz范围内。此外，启动和维持锁模状态的过程较为复杂，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稳定方案。相比之下，外部调制方法由于其无腔体限制、可调的重复频率和持续的频率稳定性，被广泛用于电光频率梳的生成。相位调制器（PMs）是常用的一种调制器，但其使用通常需要额外的组件，如双正弦波驱动和啁啾光纤布拉格光栅，以实现频谱平坦化。然而，这种方法生成的频率梳线数有限。为了生成更多的频率梳线，通常需要级联多个调制器，例如使用两个级联的相位调制器和啁啾布拉格光栅，或者级联强度调制器和相位调制器。然而，这些方案中的主要限制在于驱动射频（RF）信号的固有幅度限制，导致生成的频率梳线数受到限制。此外，调制激光器的相位噪声会随着边带阶数的增加而线性上升，因此在理想条件下，相位噪声的变化率（即相位噪声相对于边带频率偏移的变化率）可以近似等于射频相位噪声。然而，随着频率梳线数的增加，调制激光器的相位噪声会进一步恶化。

近年来，通过半导体激光器的级联注入，实现了具有大带宽和窄线宽的频率梳。在此过程中，外部微波信号被用于调制注入光束，以实现谐波注入锁定到Period-one（P1）动态。这种方法在一定程度上提高了频率梳的性能，但半导体激光器和外部微波源的较差相位噪声限制了生成频率梳的质量。

光电子振荡器（OEOs）已被证明可以生成具有低相位噪声和宽频率范围的自激微波信号，因此可以作为高质量微波源应用于基于调制器的电光频率梳生成系统中。此外，基于电吸收调制激光器或垂直腔面发射激光器的自振荡电光频率梳生成系统也已被提出。然而，这些系统中的频率选择组件通常是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。在一项显著的研究中，周等人利用在OEO中注入的半导体激光器生成了可在6.5至15 GHz之间调节的光脉冲，脉冲宽度低于20 ps，并在10 kHz处实现了-101 dBc/Hz的低相位噪声。虽然该研究展示了光学注入在调节性方面的应用，但生成的脉冲宽度仍处于皮秒量级。

为了克服带宽限制，研究人员采用非线性频谱展宽技术，如在高非线性光纤（HNLFs）中进行四波混频（FWM），以扩展电光频率梳并压缩脉冲至飞秒范围。然而，这些方法往往伴随着系统复杂度的增加或可调性的降低。

本文提出了一种新的飞秒电光频率梳生成方案，该方案基于光学注入的双环光电子振荡器（DL-OEO）和参数频率混频器。DL-OEO由级联的强度调制器和相位调制器组成，并且具有相同长度的两个光电子反馈环。通过将光学注入引入具有P1状态的半导体激光器中，可以实现具有大调节性的振荡微波信号的选择。实验中通过调节光学注入功率，实现了从10.21 GHz到18.21 GHz的重复频率调节。同时，引入了1公里的单模光纤（SMF）到DL-OEO环中，该光纤起到了两个作用：一是提高OEO的腔体Q因子，从而改善生成的微波信号质量；二是利用1公里SMF的负色散特性，补偿相位调制所引起的正啁啾，实现光脉冲的压缩，使其宽度达到3.6 ps。因此，通过光学注入的DL-OEO，可以生成具有相应重复频率的种子频率梳。随后，通过参数频率混频器进行频谱展宽，最终通过另一段15米的SMF对啁啾脉冲进行进一步压缩。为了确保脉冲宽度的一致性，通过调整频谱宽度实现了色散管理。该过程最终生成了一组具有可调重复频率（从10.20 GHz到18.21 GHz）和一致脉冲宽度（约300 fs）的脉冲序列。该方案具有结构简单、频谱平坦、可调梳齿间距、低相位噪声和低载波噪声等优点。

在工作原理部分，图1展示了用于种子频率梳生成的光学注入DL-OEO系统的示意图。主激光器（ML）通过偏振控制器（PC）、强度调制器（IM）、可调光学衰减器（ATT）和光学环形器（CIR）依次注入到从属激光器（SL）中，其中SL是一个无隔离器的DFB-LD。从主激光器发出的光（f_m）注入到自由运行的从属激光器（f_s）中，频率偏移（f_m > f_s），并激发其动态以实现P1状态。该状态的建立和维持对于生成高质量的频率梳至关重要，同时也能确保微波信号的稳定性和一致性。

在光学注入到DFB-LD的P1振荡部分，图4展示了基于光学注入的DL-OEO和参数频率混频器的飞秒频率梳生成系统的实验结构。首先，来自主激光器的光信号依次通过偏振控制器、强度调制器和可调光学衰减器，然后注入到从属激光器中。偏振控制器确保主激光器和注入光信号之间的最佳相干性，而强度调制器则用于调节光信号的强度。通过调整注入光的强度和频率，可以实现不同频率的微波信号的生成，并进一步影响频率梳的结构和性能。此外，参数频率混频器的引入使得频率梳的频谱展宽成为可能，从而提高其带宽和频率精度。最终，通过色散管理，实现了脉冲宽度的一致性和频率梳的稳定生成。

在结论部分，本文提出并实验验证了基于光学注入到具有P1振荡状态的DFB-LD、级联调制、双环OEO和参数频率混频器的飞秒电光频率梳生成系统。通过该系统，实现了具有约300 fs脉冲宽度和可调重复频率（从10.20 GHz到18.21 GHz）的宽谱C波段频率梳。当光学注入的P1振荡频率为12.11 GHz时，10 kHz处的单边带相位噪声达到-101 dBc/Hz，这表明该系统在相位噪声控制方面具有显著优势。此外，通过色散管理，确保了脉冲宽度的一致性，进一步提高了频率梳的性能和稳定性。

综上所述，本文提出的飞秒电光频率梳生成系统具有重要的应用前景。该系统不仅能够生成具有宽谱、可调重复频率和飞秒级脉冲宽度的频率梳，还能够有效降低相位噪声和载波噪声，提高频率梳的质量和稳定性。这些特性使其在精密测量、光学通信、量子计算等领域具有广泛的应用潜力。此外，该系统的设计理念也为未来频率梳生成技术的发展提供了新的思路和方法。