使用細(xì)和粗光頻梳的光學(xué)合成器調(diào)諧的制作方法
【專利說(shuō)明】使用細(xì)和粗光頻梳的光學(xué)合成器調(diào)諧 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001 ]本申請(qǐng)要求2014年5月7日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)61/990,023的權(quán)益，其特 此通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002] 準(zhǔn)確的、可調(diào)諧的光學(xué)合成在中和廢水(standoff effluent)表征，高帶寬及安全 通信，光譜學(xué)，氣體感測(cè)，激光雷達(dá)，光學(xué)載波原子鐘，以及原子和光機(jī)械慣性傳感器方面具 有潛在的應(yīng)用。由于尺寸、成本和功率要求，當(dāng)前技術(shù)水平的光學(xué)合成器被限制到實(shí)驗(yàn)室使 用。
[0003] 在寬范圍內(nèi)（例如1530-1565nm的C波段光通信范圍）實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和穩(wěn)定光輸出的光 學(xué)合成器具有被鎖定到高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的光學(xué)參考的輸出光，具有射頻(RF)域中的反饋控 制。對(duì)于大尺度光學(xué)合成器，基于鈦-藍(lán)寶石或基于光纖激光器的飛秒鎖模激光源的自參考 光頻梳被用來(lái)將光輸出參考到微波輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)合成。這些設(shè)備是商售的，如冰箱一 樣大，并且使用大量的功率。
[0004] 在過(guò)去的幾年中已進(jìn)行了大量的努力來(lái)開(kāi)發(fā)基于微諧振器的自參考光頻梳，其使 用比基于傳統(tǒng)鎖模激光器的光頻梳更少得多的功率進(jìn)行操作。然而，光頻梳由光學(xué)干涉儀 中的自參考進(jìn)行操作。這尚未使用微諧振器實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谟贸^(guò)1瓦的激光功率同時(shí)地被激 發(fā)時(shí)沒(méi)有能力來(lái)用細(xì)梳齒間距控制微諧振器，其被用來(lái)創(chuàng)建足夠?qū)挼氖?例如，倍頻程跨 越)以進(jìn)行自參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本文的實(shí)施例提供一種光頻合成器，包括粗光頻梳，細(xì)光頻梳，和輸出激光器。粗 光頻梳被用第一栗浦激光器栗浦，并且設(shè)置了粗光頻梳中的至少一個(gè)齒的絕對(duì)頻率。細(xì)光 頻梳被用第二栗浦激光器栗浦并且具有被鎖定到射頻參考的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍的齒之間的頻 率間距。最初，第二栗浦激光器被鎖定到粗光頻梳的第一齒。光頻合成器可通過(guò)掃描第二栗 浦激光器到接近粗光頻梳的期望的齒，并且鎖定第二栗浦激光器到期望的齒來(lái)調(diào)諧。然后， 在第二栗被鎖定至期望的齒之后，輸出信號(hào)可以基于細(xì)光頻梳的齒用輸出激光器生成。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 應(yīng)理解的是附圖僅描繪示例，并且因此不應(yīng)被認(rèn)為是在范圍方面的限制，將通過(guò) 使用附圖來(lái)用另外的特征及細(xì)節(jié)描述示例，其中：
[0007] 圖1是圖示出基于兩個(gè)光頻梳的示例光頻合成器的圖。
[0008] 圖2是圖示出光頻合成器的示例輸出連同兩個(gè)光頻梳的示例輸出的圖。
[0009] 圖3是用于如果兩個(gè)光頻梳未被相互參考則調(diào)諧圖1的合成器的示例方法的流程 圖。
[0010] 圖4是用于如果兩個(gè)光頻梳被相互參考則調(diào)諧圖1的合成器的示例方法的流程圖。
[0011] 根據(jù)一般慣例，各種描述的特征未按比例繪制，而是被繪制成強(qiáng)調(diào)與示例相關(guān)的 特定特征。在各種圖中的相似的參考數(shù)字和標(biāo)記指示類似的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 本文描述的主題提供基于兩個(gè)光頻梳的光頻合成器。在降低了激光功率要求的情 況下所述光頻合成器在寬的調(diào)諧范圍內(nèi)具有細(xì)調(diào)諧分辨率。
[0013]圖1是圖示出此類光頻合成器10的示例的圖。光頻合成器10包括細(xì)光頻梳(FC)102 和粗光頻梳(CC) 104。FC 102具有相對(duì)細(xì)的間距，而CC 104具有相當(dāng)?shù)卮值拈g距。所述合成 器10還包括處理設(shè)備12(例如，微處理器)和輸出激光器20。
[0014] 在示例中，F(xiàn)C 102可以通過(guò)用第一栗浦激光器22栗浦用于FC 102的第一諧振器28 (例如，微諧振器)而生成，并且CC 104可以通過(guò)用第二栗浦激光器24栗浦第二諧振器30而 生成。在替代示例中，F(xiàn)C 102可以通過(guò)將來(lái)自第一栗浦激光器22的信號(hào)提供到調(diào)制器而生 成。在另一示例中，F(xiàn)C 102可以通過(guò)將來(lái)自第一栗浦激光器22的信號(hào)提供到調(diào)制器，并且將 來(lái)自調(diào)制器的輸出提供到諧振器來(lái)生成。
[0015] 圖2是圖示出輸出激光器20的示例輸出光26，F(xiàn)C 102和CC 104的圖。設(shè)置了CC 104 的頻率偏移。在示例中，頻率偏移通過(guò)自參考CC 104的兩個(gè)齒而被設(shè)置。如已知的，為了能 夠?qū)崿F(xiàn)此類自參考，CC 104跨越光學(xué)倍頻程。例如，在CC 104中存在許多對(duì)的齒(m，n2)，其 可滿足關(guān)系2*頻率(m)大約等于頻率(n2)(即，倍頻程分開(kāi)的一齒對(duì)）。每個(gè)齒的光頻可以寫 成頻率( ηι)=Κ+η2*(Χ3。如果m齒在非線性介質(zhì)中加倍，并且用112齒進(jìn)行外差拍音(beat note)，則可以處理該拍音以識(shí)別頻率偏移。在最壞的情況下，頻率偏移可與CCS/2-樣大， 其可能頻率太高而不能用光接收器直接檢測(cè)到。因此，如果自參考拍音頻率在檢測(cè)器的帶 寬之外，則沒(méi)有拍音將被觀察到。如果沒(méi)有觀察到拍音，則用于FC 102和CC 104的栗浦激光 器22,24可以被掃描（向上和/或向下）以找到拍音，但是不需要被掃描超過(guò)1/2*CCS 108。可 以用處理設(shè)備12和適當(dāng)?shù)臋z測(cè)器來(lái)檢測(cè)拍音。然后處理設(shè)備12可以將信號(hào)發(fā)送到栗浦激光 器22,24來(lái)調(diào)整栗浦激光器22,24的頻率以便在所期望的點(diǎn)處設(shè)置頻率偏移。在替代示例 中，替代使用自參考干涉儀，通過(guò)參考栗22,24(即，CC 104的mo齒）到另一個(gè)足夠穩(wěn)定的激 光器來(lái)設(shè)置頻率偏移，諸如光學(xué)原子鐘的輸出。
[0016] 在示例中，CC 104是獨(dú)立地穩(wěn)定的，以使得CC 104的齒的絕對(duì)頻率是已知的。在另 一示例中，CC 104可以通過(guò)在CC 104與FC 104之間形成互鎖來(lái)穩(wěn)定。此類互鎖在下面被更 詳細(xì)地解釋。
[0017] 在一個(gè)示例中，射頻參考被用來(lái)直接地調(diào)制細(xì)梳栗浦激光器22,創(chuàng)建具有等于RF 參考的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍的FCS 106的FC 102。在另一示例中，F(xiàn)CS 106被使用射頻電子裝置進(jìn) 行檢測(cè)，并被通過(guò)細(xì)梳諧振器自由光譜范圍的閉環(huán)控制穩(wěn)定到射頻參考。FC 102的FCS 106 被選擇為足夠小，從而該FCS 106可以基于鎖定FCS 106至穩(wěn)定的RF參考而在所期望的誤差 范圍內(nèi)。在示例中，穩(wěn)定的RF參考處在10MHz，且FCS 106是基于10MHz的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍(諸如 20GHz)而被生成。
[0018] FC 102的第一齒110可以被鎖定至CC 104的第二齒112。在示例中，第一齒110可通 過(guò)控制第二栗浦激光器24使得第二栗浦激光器24被鎖定至所述第一栗浦激光器22而被鎖 定至CC 104的第二齒112。特別地，處理設(shè)備12連同適當(dāng)?shù)臋z測(cè)器可以被配置成檢測(cè)第一栗 浦激光器22與第二栗浦激光器24之間的頻率的差異，并且基于其來(lái)控制第二栗浦激光器24 以將第二栗浦激光器24鎖定到第一栗浦激光器24。當(dāng)FC 102和CC 104被鎖定至彼此鎖定的 栗浦激光器時(shí)，F(xiàn)C 102和CC 104中的至少一個(gè)齒將處于栗浦激光器22,24的頻率。在示例 中，那些齒頻率中的兩個(gè)是FC 102的第一齒110(例如，中心齒"no"）和CC 104的第二齒112 (例如，中心齒"m〇"）。
[0019] 在FC 102的中心齒被鎖定至CC 104的中心齒的情況下，F(xiàn)C 102的齒的絕對(duì)頻率是 已知的。因此，輸出信號(hào)26可以基于FC 102的齒而生成。為了生成此類輸出信號(hào)26,處理設(shè) 備12被耦合到輸出激光器20和FC 102,使得處理設(shè)備12可以檢測(cè)來(lái)自輸出激光器12的光26 與FC 102的被選擇的齒之間的頻率差異。處理設(shè)備12還被設(shè)置成控制輸出激光器20以由此 調(diào)整光26的頻率。在示例中，處理設(shè)備12是直接數(shù)字合成器(DDS)，其基于外部RF參考信號(hào) 在微波波段中進(jìn)行操作。
[0020] 在操作中，處理設(shè)備12接收信號(hào)，其指示用于來(lái)自輸出激光器20的光26的期望的 輸出頻率。此信號(hào)可以被從任何適當(dāng)?shù)脑唇邮?，例如，接收?lái)自人的輸入的較高水平的計(jì)算 系統(tǒng)。處理設(shè)備12選擇在期望的輸出頻率附近的FC102的齒16。在示例中，處理設(shè)備12選擇 最接近期望的輸出頻率的FC 102的齒16。然后，處理設(shè)備12檢測(cè)FC 102的被選擇的齒16與 來(lái)自輸出激光器20的光26的頻率之間的頻率差異?；诒粰z測(cè)的頻率差異，處理設(shè)備12控 制輸出激光器20,使得光26被設(shè)置在期望的輸出頻率處。特別地，處理設(shè)備12控制輸出激光 器20，使得來(lái)自那里的光26被設(shè)置在遠(yuǎn)離FC 102的被選擇的齒16的光學(xué)偏移頻率鎖(00FL) 處，其中光學(xué)偏移頻率等于期望的輸出頻率和FC 102的被選擇的齒16的頻率之間的差異。 特別地，處理設(shè)備12可以生成被發(fā)送到輸出激光器20的頻率信號(hào)，并且由輸出激光器20生 成的光26的頻率是基于從處理設(shè)備12(例如，DDS)所接收的信號(hào)的頻率。從處理設(shè)備12(例 如，DDS)發(fā)送的用以控制輸出激光器20的信號(hào)的頻率在本文被稱為增量(de 1 ta)頻率。
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