中科院半導(dǎo)體所團隊實現(xiàn)1550/1310 nm波長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)頻率計量、氣體檢測、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)明者美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的 John L. Hall 和德國馬普學(xué)會的 Theodor W. H?nsch據(jù)此獲得了 2005 年的諾貝爾物理學(xué)獎。已商用的摻鈦藍寶石鎖模光頻梳和光纖鎖模光頻梳由于諧振腔長度較長，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地行星探測、光通信和任意波形產(chǎn)生等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，近年來產(chǎn)生高重復(fù)頻率的光頻梳成為新的研究熱點。利用傳統(tǒng)的飛秒激光器通過減少腔長或利用高精細(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，但是只能通過材料吸收等效應(yīng)引起的折射率變化進行極小范圍內(nèi)的重頻調(diào)節(jié)。

  中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所黃永箴研究員課題組針對傳統(tǒng)的鈦藍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)生的光頻梳無法實現(xiàn)重復(fù)頻率的大范圍調(diào)節(jié)等問題，通過皮秒光脈沖泵浦高非線性光纖，產(chǎn)生波長在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，同時解決了高重復(fù)頻率脈沖受限于低的脈沖峰值功率，無法實現(xiàn)寬的光譜覆蓋范圍等難題。

  在高非線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波長附近通過自相位調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生了光頻梳的梳齒數(shù)目超過500根(5 dB的平坦度)，通過色散補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，本文展示了不同脈沖的峰值功率和光纖色散對光頻梳寬度、平坦度和色散波中心波長的影響，以及重復(fù)頻率最高到20 GHz時的光頻梳的產(chǎn)生效果，對高重頻光頻梳的產(chǎn)生和擴譜具有重要的指導(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。