Vescent频率梳--RUBRIComb Frequency Comb

2025-02-13 16:44:03 61阅读次数

扫码分享

特点：

一站式操作：30 分钟内即可启动和运行
低噪音：支持最佳光学时钟等
坚固：通过苛刻的震动、振动和热测试
稳定：可锁定数月
激光支持：通过附加选项锁定多种激光器
传输：为系统中的每台激光器提供低噪音
使用 RUBRIColor? 扩展波长覆盖范围 490 nm至 2000 nm

介绍：

如果您需要一种光学频率梳，让您的实验或现场解决方案顺利高效地运行，但频率梳因其结构复杂、在最坏的时候会导致停机，为了避免这种情况，Vescent创造了RUBRIComb^TM 。RUBRIComb^TM的问世结束了这一糟糕时代。RUBRIComb^TM 重新定义了激光器的可靠性。

RUBRIComb^TM 领先的应用解决方案：

原子钟和时间传输
量子计算
双梳光谱学

Vescent 的 RUBRIComb^TM 是一种完全稳定的光学频率梳，可精确控制重复频率 (?rep)、载波包络偏移频率 (?CEO)，以及光学参考节拍 (?opt)。其核心是一个被动模式锁定的掺铒光纤振荡器。其独特方法减小了系统的尺寸、重量和功率（SWaP）。完整的 RUBRIComb^TM 组合频率的设计和制造可确保其稳定、低相噪的运行，其Allan偏差可支持下一代光学原子钟。

光频梳的整个激光器，包括自身和外部参考模块，都安装在一个 2U 19" 机架式机箱中。激光器每次启动时都会锁定模式，它的特殊设计使它坚固耐用、使用寿命长。Vescent独特的振荡器设计还可以轻松地在工厂精确匹配多个 RUBRIComb^TM 组合的重复频率，用于多组合光谱实验。

将 Vescent 的光纤频率梳的重复频率锁定到任何用户提供的射频振荡器可以通过简单的方法。

案例研究：

通过重复频率锁定将GPS-Disciplined OCXO 的长期稳定性转移到 Vescent 的光学频率梳。

摘要：本文展示了一种将 Vescent 的光纤频率梳 (FFC100) 重复频率锁定到任何用户提供的射频振荡器的直接方法。实现这种重复频率锁定的一般方案如图 1 所示。为了展示这项技术的能力，我们在此将 FFC-100 锁定到 SRS FS740 GPS GPS-disciplined oven-controlled crystal oscillator (OCXO)，并证明 SRS FS740 的超强长期频率稳定性可以稳定地转移到频梳模式上（在时间尺度大于 6 小时的 1550 nm 波段，小于 1E-12 的分频不稳定性或小于 200 Hz 的光频不稳定性），同时保留了自由运行梳齿线宽的短期稳定性特性（在 1550 nm 波段，小于 2 kHz FWHM）。这种技术可用于需要精确频率测量的应用。当根据已知光学频率标准进行适当校准时（即通过单个梳齿和光谱标准之间的外差测量），这种相对不稳定性可转化为绝对频率精度，从而在频率梳的宽光学带宽内实现超高精度的光谱分析。

图1，将 FFC-100 与用户提供的射频基准进行重复频率锁定的一般方案。

引言：光学频率梳的众多应用之一是充当所谓的 “频率尺”，能够在宽带宽范围内以极高的精度测量光学频率。虽然有几种特定的技术可以实现这一功能，但这种功能的基本来源是梳齿的每个 “齿 ”之间从光学频率到射频频率的简单关系：

(1)?_n = ?_ceo + n·?_rep

在这个简单的等式中，我们可以简单的看出每个梳齿 _n都只与两个射频梳齿参数频率有关，即_ceo和 _rep ，通过将这两个参数锁定到射频中可用的稳定基准上，就可以将射频基准的稳定性转移到光域中的梳状模式上。在本应用说明中，Vescent 演示了使用 FFC-100 实现这一目标的简单方法。

设置： 图 2 显示了 Vescent 用于此次演示的具体设置，以及用于测量 FFC-100 所产生的环外不稳定性的相应设置。首先，使用 Vescent SLICE-FPGA-II 锁定 100 MHz FFC-100 的_ceo参数。重复频率?_rep在频率上被除以 10 倍（Valon Technology 3010a），然后发送到低噪声相位检测器（Mini-Circuits ZRPD-1+）的射频端口。GPS-Disciplined OCXO（SRS FS740）的 10 MHz 输出被送至相位检测器的 LO 端口，IF 端口的输出被导向 Vescent D2-125 伺服控制器的误差输入。通过对 FFC-100 PZT 调制输入的简单比例积分器 (PI) 反馈，FFC-100 的重复频率与GPS-Disciplined OCXO 相位锁定。PZT 调制反馈具有高带宽，但动态范围有限。该动态范围足以让 FFC-100 以这种方式锁定数十分钟，具体取决于运行期间的特定环境参数。为了实现长期锁定，需要使用一个慢速反馈回路来改变振荡器温度设定点，使 PZT 电压保持在额定值的中心。FFC-100 中集成了该慢速反馈回路，可通过文本命令或前端屏幕图形用户界面启用。

图2，Vescent 用于将 FFC-100 的重复频率锁定到GPS-disciplined OCXO（SRS FS740）的具体方案，以及用于准确确定 FFC-100 通过该方法实现的环外不稳定性的测量方案。

D2-125 用于 _rep 锁定的 PID 参数设置为 _I = 20 Hz，_PI = OFF，_D = OFF。比例增益设置为 -10 dB。伺服器的 _I 角保持在较低频率（≤20 赫兹），以保持自由运行梳齿的短期稳定性（即梳齿的 “瞬时线宽”），同时向光学梳齿传递GPS-disciplined SRS FS740 的长期稳定性。为实现 _rep 锁定，可手动调整 OCXO 合成器的频率或梳齿的重复频率，使射频和 LO 信号的频率紧密重叠（约 10 Hz 以内），并使其相位的正交条件落在 PZT 反馈到梳齿的动态范围内。满足这一条件后，将开关推到 “lock ”位置即可启用 D2-125 伺服。可在示波器上查看 D2-125 上的直流误差监控器，以确保误差信号归零，还可使用直流误差信号噪声的交流有效值测量来确定锁定的 “紧密性”。

结果:对本应用而言，最重要的是 GPS-disciplined OCXO 的稳定性如何转移到频率梳重复频率上。为了测量这一点，使用 Microsemi 53100a 定时器比较了两个阿伦偏差测量结果：(1) 直接测量 SRS FS740 10 MHz 输出信号与 SRS FS752 10 MHz 输出信号（注：根据手头现有设备选择不同的 GPS 设备）。相应的Allan偏差给出了这两种不同的 GPS-disciplined OCXO 之间的环外分频不稳定性，图 3(A) 中的蓝线即为此图。在接下来的测量（2）中，如上所述，将频率梳_rep 锁定在 SRS FS740 上，并根据 SRS FS752 10 MHz 输出测量从锁定频率梳中分离出来的_rep 的分频不稳定性。相应的阿伦偏差给出了相对于 SRS FS752 GPS 驯服 OCXO 的锁定频率梳的环外分频不稳定性，并在图 3(A) 中绘制成一条橙色线（右轴显示分频不稳定性）。这两项测量结果的比较清楚地表明，SRS FS740 的频率稳定性可以高保真地转移到频率梳重复频率上，尤其是在时间尺度大于 1 秒时。由于光学梳齿频率_n和 _rep 之间的简单关系，光学梳齿的绝对频率不稳定性很简单：

(2)δ?_n = δ?_ceo + n·δ?_rep

对于 1550 nm 波长的梳齿，n ≈ 1 . 92 × 10⁶ ，这使得δ?_ceo项相对于n·δ?_rep项可以忽略不计。图 3(A) 中橙色数据线的左轴显示了 1550 nm 波长频率梳的相应光学不稳定性。

图 3 （A）Allan偏差和 (B) 线宽测量。(A) 中的光学不稳定性是在 1550 纳米附近测量的。

将光学频率梳锁定到射频源的一个潜在缺点是，等式 2 中所示的光学倍频会导致光频梳的短期不稳定性（即线宽，最终是相位噪声）降低。一般来说，自由运行的频率梳在高偏移频率（通常与 “瞬时线宽 ”有关）下的分频噪声优于任何射频基准，而在低偏移频率（与频率不稳定性或漂移有关）下则较差。通过有目的地将 _I 角设置为低频（本例中为 20 赫兹），可以保留自由运行频率梳优越的高偏移分频频率不稳定性，同时还能获得射频基准长期稳定性的优势。图 3(B) 中的线宽测量清楚地表明了这一点，在该图中，线宽为 2 kHz 的 RIO 激光与锁定频率梳的光齿之间的外差信号的线宽测量值小于 5 kHz。Voigt 拟合用于捕捉因 _rep 锁定方案而产生的少量高斯展宽。