1550/1310 nm波长10 GHz宽带光学频率梳的产生
【中科院半导体所黄永箴研究员课题组】

 

光学频率梳(光频梳)在时间域上具有固定重复频率的超短光脉冲,可以产生极高的峰值功率;在频率域上具有等频率间隔的梳齿,可以将光学频率相干地连接到微波频率,已广泛应用于光学频率计量、气体检测、天文光谱和基本物理常数的校准等领域。光频梳的发明者美国国家标准局的 John L. Hall 和德国马普学会的 Theodor W. Hänsch据此获得了 2005 年的诺贝尔物理学奖。已商用的掺钛蓝宝石锁模光频梳和光纤锁模光频梳由于谐振腔长度较长,重复频率通常只能在GHz以下。然而,10 GHz重频以上的光频梳在天文类地行星探测、光通信和任意波形产生等领域有着重要的应用,近年来产生高重复频率的光频梳成为新的研究热点。利用传统的飞秒激光器通过减少腔长或利用高精细度的法布里-伯罗腔滤波,可以直接或间接获得高重频的光频梳,但是其控制系统极其复杂且控制精度极其严格。利用连续激光泵浦高品质因子的回音壁光学微腔可以产生很高重复频率的光频梳,但是只能通过材料吸收等效应引起的折射率变化进行极小范围内的重频调节。


中国科学院半导体研究所黄永箴研究员课题组针对传统的钛蓝宝石锁模光频梳和光纤飞秒激光器很难产生高重复频率的光频梳,回音壁微腔产生的光频梳无法实现重复频率的大范围调节等问题,通过皮秒光脉冲泵浦高非线性光纤,产生波长在1550 nm和1310 nm范围的高重复频率(≥10 GHz)且重复频率大范围可调的光频梳,同时解决了高重复频率脉冲受限于低的脉冲峰值功率,无法实现宽的光谱覆盖范围等难题。在高非线性光纤近零的正色散处利用10 GHz重复频率的脉冲泵浦,在1550 nm波长附近通过自相位调制效应产生了光频梳的梳齿数目超过500根(5 dB的平坦度),通过色散补偿最终得到脉冲的宽度小于300 fs(如图1(a))。利用产生的皮秒和飞秒脉冲分别在氟碲酸盐和石英高非线性光纤的反常色散区泵浦可以在1310 nm处产生高相干的色散波(如图1(b)所示)。与此同时,本文展示了不同脉冲的峰值功率和光纤色散对光频梳宽度、平坦度和色散波中心波长的影响,以及重复频率最高到20 GHz时的光频梳的产生效果,对高重频光频梳的产生和扩谱具有重要的指导作用。

图1(a)26.5 dBm泵浦功率下产生10 GHz重频的平坦光频梳光谱图;
(b)不同功率泵浦下氟碲酸盐光纤产生中心波长在1310 nm附近的色散波

该研究成果以“10-GHz broadband optical frequency comb generation at 1550/1310 nm”为题,作为封底文章发表在英文期刊 Opto-Electronic Advances 2020年第7期。

研究团队简介

中科院半导体所黄永箴课题组近十几年来系统地开展了适于集成的微腔半导体激光器及其应用研究。开创了多边形微腔半导体激光器研究,率先系统研究了直连波导定向输出微腔激光器及其集成,和光注入微腔激光器的动态特性。设计研制出波长间距可调的双模稳定激射微腔激光器,并应用于拍频光生太赫兹波和四波混频可调谐光频梳研究;研制出正方形-长方形耦合腔激光器,同时利用可饱和吸收和模式竞争实现具有高速光存储读取功能的双稳态激光器。目前承担国家自然科学基金重点项目“半导体激光器及多功能光子集成基础研究”和基金委国家重大科学仪器研制项目“基于双波长微腔激光器和非线性光纤的可调谐光频梳系统研制”。黄永箴研究员多次获得中科院优秀研究生指导教师奖,培养的博士获得2008年全国百篇优秀博士论文,并有4人次获得中国科学院优秀博士论文。

相关论文

Han J Y, Huang Y L, Wu J L, Li Z R, Yang Y D et al. 10-GHz broadband optical frequency comb generation at 1550/1310 nm. Opto-Electron Adv 3, 190033 (2020).

DOI:10.29026/oea.2020.190033