使用細和粗光頻梳的光學合成器調諧的制作方法
【專利說明】使用細和粗光頻梳的光學合成器調諧 相關申請的交叉引用
[0001 ]本申請要求2014年5月7日提交的美國臨時專利申請序號61/990,023的權益，其特 此通過引用并入本文。
【背景技術】
[0002] 準確的、可調諧的光學合成在中和廢水(standoff effluent)表征，高帶寬及安全 通信，光譜學，氣體感測，激光雷達，光學載波原子鐘，以及原子和光機械慣性傳感器方面具 有潛在的應用。由于尺寸、成本和功率要求，當前技術水平的光學合成器被限制到實驗室使 用。
[0003] 在寬范圍內（例如1530-1565nm的C波段光通信范圍）實現準確和穩定光輸出的光 學合成器具有被鎖定到高度穩定和準確的光學參考的輸出光，具有射頻(RF)域中的反饋控 制。對于大尺度光學合成器，基于鈦-藍寶石或基于光纖激光器的飛秒鎖模激光源的自參考 光頻梳被用來將光輸出參考到微波輸入，能夠實現光學合成。這些設備是商售的，如冰箱一 樣大，并且使用大量的功率。
[0004] 在過去的幾年中已進行了大量的努力來開發基于微諧振器的自參考光頻梳，其使 用比基于傳統鎖模激光器的光頻梳更少得多的功率進行操作。然而，光頻梳由光學干涉儀 中的自參考進行操作。這尚未使用微諧振器實現，因為在用超過1瓦的激光功率同時地被激 發時沒有能力來用細梳齒間距控制微諧振器，其被用來創建足夠寬的梳(例如，倍頻程跨 越)以進行自參考。
【發明內容】
[0005] 本文的實施例提供一種光頻合成器，包括粗光頻梳，細光頻梳，和輸出激光器。粗 光頻梳被用第一栗浦激光器栗浦，并且設置了粗光頻梳中的至少一個齒的絕對頻率。細光 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數或整數倍的齒之間的頻 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調諧。然后， 在第二栗被鎖定至期望的齒之后，輸出信號可以基于細光頻梳的齒用輸出激光器生成。
【附圖說明】
[0006] 應理解的是附圖僅描繪示例，并且因此不應被認為是在范圍方面的限制，將通過 使用附圖來用另外的特征及細節描述示例，其中：
[0007] 圖1是圖示出基于兩個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光頻梳的示例輸出的圖。
[0009] 圖3是用于如果兩個光頻梳未被相互參考則調諧圖1的合成器的示例方法的流程 圖。
[0010] 圖4是用于如果兩個光頻梳被相互參考則調諧圖1的合成器的示例方法的流程圖。
[0011] 根據一般慣例，各種描述的特征未按比例繪制，而是被繪制成強調與示例相關的 特定特征。在各種圖中的相似的參考數字和標記指示類似的元件。
【具體實施方式】
[0012] 本文描述的主題提供基于兩個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諧范圍內具有細調諧分辨率。
[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包括細光頻梳(FC)102 和粗光頻梳(CC) 104。FC 102具有相對細的間距，而CC 104具有相當地粗的間距。所述合成 器10還包括處理設備12(例如，微處理器)和輸出激光器20。
[0014] 在示例中，FC 102可以通過用第一栗浦激光器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，FC 102可以通過將來自第一栗浦激光器22的信號提供到調制器而生 成。在另一示例中，FC 102可以通過將來自第一栗浦激光器22的信號提供到調制器，并且將 來自調制器的輸出提供到諧振器來生成。
[0015] 圖2是圖示出輸出激光器20的示例輸出光26，FC 102和CC 104的圖。設置了CC 104 的頻率偏移。在示例中，頻率偏移通過自參考CC 104的兩個齒而被設置。如已知的，為了能 夠實現此類自參考，CC 104跨越光學倍頻程。例如，在CC 104中存在許多對的齒(m，n2)，其 可滿足關系2*頻率(m)大約等于頻率(n2)(即，倍頻程分開的一齒對）。每個齒的光頻可以寫 成頻率( ηι)=Κ+η2*(Χ3。如果m齒在非線性介質中加倍，并且用112齒進行外差拍音(beat note)，則可以處理該拍音以識別頻率偏移。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到。因此，如果自參考拍音頻率在檢測器的帶 寬之外，則沒有拍音將被觀察到。如果沒有觀察到拍音，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1/2*CCS 108。可 以用處理設備12和適當的檢測器來檢測拍音。然后處理設備12可以將信號發送到栗浦激光 器22,24來調整栗浦激光器22,24的頻率以便在所期望的點處設置頻率偏移。在替代示例 中，替代使用自參考干涉儀，通過參考栗22,24(即，CC 104的mo齒）到另一個足夠穩定的激 光器來設置頻率偏移，諸如光學原子鐘的輸出。
[0016] 在示例中，CC 104是獨立地穩定的，以使得CC 104的齒的絕對頻率是已知的。在另 一示例中，CC 104可以通過在CC 104與FC 104之間形成互鎖來穩定。此類互鎖在下面被更 詳細地解釋。
[0017] 在一個示例中，射頻參考被用來直接地調制細梳栗浦激光器22,創建具有等于RF 參考的分數或整數倍的FCS 106的FC 102。在另一示例中，FCS 106被使用射頻電子裝置進 行檢測，并被通過細梳諧振器自由光譜范圍的閉環控制穩定到射頻參考。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至穩定的RF參考而在所期望的誤差 范圍內。在示例中，穩定的RF參考處在10MHz，且FCS 106是基于10MHz的分數或整數倍(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，處理設備12連同適當的檢測器可以被配置成檢測第一栗 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FC 102和CC 104被鎖定至彼此鎖定的 栗浦激光器時，FC 102和CC 104中的至少一個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，FC 102的齒的絕對頻率是 已知的。因此，輸出信號26可以基于FC 102的齒而生成。為了生成此類輸出信號26,處理設 備12被耦合到輸出激光器20和FC 102,使得處理設備12可以檢測來自輸出激光器12的光26 與FC 102的被選擇的齒之間的頻率差異。處理設備12還被設置成控制輸出激光器20以由此 調整光26的頻率。在示例中，處理設備12是直接數字合成器(DDS)，其基于外部RF參考信號 在微波波段中進行操作。
[0020] 在操作中，處理設備12接收信號，其指示用于來自輸出激光器20的光26的期望的 輸出頻率。此信號可以被從任何適當的源接收，例如，接收來自人的輸入的較高水平的計算 系統。處理設備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，處理設備12檢測FC 102的被選擇的齒16與 來自輸出激光器20的光26的頻率之間的頻率差異。基于被檢測的頻率差異，處理設備12控 制輸出激光器20,使得光26被設置在期望的輸出頻率處。特別地，處理設備12控制輸出激光 器20，使得來自那里的光26被設置在遠離FC 102的被選擇的齒16的光學偏移頻率鎖(00FL) 處，其中光學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，處理設備12可以生成被發送到輸出激光器20的頻率信號，并且由輸出激光器20生 成的光26的頻率是基于從處理設備12(例如，DDS)所接收的信號的頻率。從處理設備12(例 如，DDS)發送的用以控制輸出激光器20的信號的頻率在本文被稱為增量(de 1 ta)頻率。
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