中科院半導(dǎo)體所團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)1550/1310 nm波長(zhǎng)10 GHz寬帶光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生

  光學(xué)頻率梳(光頻梳)在時(shí)間域上具有固定重復(fù)頻率的超短光脈沖，可以產(chǎn)生極高的峰值功率;在頻率域上具有等頻率間隔的梳齒，可以將光學(xué)頻率相干地連接到微波頻率，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)頻率計(jì)量、氣體檢測(cè)、天文光譜和基本物理常數(shù)的校準(zhǔn)等領(lǐng)域。

  光頻梳的發(fā)明者美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的 John L. Hall 和德國(guó)馬普學(xué)會(huì)的 Theodor W. H?nsch據(jù)此獲得了 2005 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。已商用的摻鈦藍(lán)寶石鎖模光頻梳和光纖鎖模光頻梳由于諧振腔長(zhǎng)度較長(zhǎng)，重復(fù)頻率通常只能在GHz以下。

  然而，10 GHz重頻以上的光頻梳在天文類(lèi)地行星探測(cè)、光通信和任意波形產(chǎn)生等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，近年來(lái)產(chǎn)生高重復(fù)頻率的光頻梳成為新的研究熱點(diǎn)。利用傳統(tǒng)的飛秒激光器通過(guò)減少腔長(zhǎng)或利用高精細(xì)度的法布里-伯羅腔濾波，可以直接或間接獲得高重頻的光頻梳，但是其控制系統(tǒng)極其復(fù)雜且控制精度極其嚴(yán)格。

  利用連續(xù)激光泵浦高品質(zhì)因子的回音壁光學(xué)微腔可以產(chǎn)生很高重復(fù)頻率的光頻梳，但是只能通過(guò)材料吸收等效應(yīng)引起的折射率變化進(jìn)行極小范圍內(nèi)的重頻調(diào)節(jié)。

  中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所黃永箴研究員課題組針對(duì)傳統(tǒng)的鈦藍(lán)寶石鎖模光頻梳和光纖飛秒激光器很難產(chǎn)生高重復(fù)頻率的光頻梳，回音壁微腔產(chǎn)生的光頻梳無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的大范圍調(diào)節(jié)等問(wèn)題，通過(guò)皮秒光脈沖泵浦高非線(xiàn)性光纖，產(chǎn)生波長(zhǎng)在1550 nm和1310 nm范圍的高重復(fù)頻率(≥10 GHz)且重復(fù)頻率大范圍可調(diào)的光頻梳，同時(shí)解決了高重復(fù)頻率脈沖受限于低的脈沖峰值功率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬的光譜覆蓋范圍等難題。

  在高非線(xiàn)性光纖近零的正色散處利用10 GHz重復(fù)頻率的脈沖泵浦，在1550 nm波長(zhǎng)附近通過(guò)自相位調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生了光頻梳的梳齒數(shù)目超過(guò)500根(5 dB的平坦度)，通過(guò)色散補(bǔ)償最終得到脈沖的寬度小于300 fs(如圖1(a))。

  利用產(chǎn)生的皮秒和飛秒脈沖分別在氟碲酸鹽和石英高非線(xiàn)性光纖的反常色散區(qū)泵浦可以在1310 nm處產(chǎn)生高相干的色散波(如圖1(b)所示)。與此同時(shí)，本文展示了不同脈沖的峰值功率和光纖色散對(duì)光頻梳寬度、平坦度和色散波中心波長(zhǎng)的影響，以及重復(fù)頻率最高到20 GHz時(shí)的光頻梳的產(chǎn)生效果，對(duì)高重頻光頻梳的產(chǎn)生和擴(kuò)譜具有重要的指導(dǎo)作用。

圖1(a)26.5 dBm泵浦功率下產(chǎn)生10 GHz重頻的平坦光頻梳光譜圖;(b)不同功率泵浦下氟碲酸鹽光纖產(chǎn)生中心波長(zhǎng)在1310 nm附近的色散波

  該研究成果以“10-GHz broadband optical frequency comb generation at 1550/1310 nm”為題，作為封底文章發(fā)表在英文期刊 Opto-Electronic Advances 2020年第7期。