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近日，中科院上海光機所高功率光纖激光技術實驗室在高重頻飛秒光學頻率梳光源方向取得重要進展。研究團隊首次報道了一種基于腔內諧振濾波技術的GHz低噪聲九字腔摻鉺光頻梳。相關研究成果以“GHz figure-9 Er-doped optical frequency comb based on nested fiber ring resonators”為題發表在Laser Photonics Reviews上。

九字腔光纖光頻梳是目前技術成熟度最高的光頻梳技術之一，已被廣泛應用于車載、星載、外場等非實驗室環境，極大推動了光頻梳相關應用的發展。重復頻率近GHz的光頻梳在雙梳測距、光譜檢測以及天文頻標等領域有著重要的應用。但是，目前九字腔光纖光頻梳的重頻一般小于250MHz，其重頻的提升仍面臨技術挑戰。由于非線性放大環鏡(NALM)鎖模技術需要一定長度的光纖來積累足夠的非線性相移差以啟動鎖模，傳統的短諧振腔方案難以適用于九字腔的結構。

針對上述問題，研究團隊采用嵌套腔結構（圖1），由兩個光纖耦合器熔接構成的Fabry–Pérot(F-P)腔對外部NALM諧振腔進行模式濾波。當內、外腔的自由光譜范圍精確匹配時，可將九字腔光纖光頻梳的重頻倍增至GHz。實驗結果表明該激光器具備優異的脈沖自啟動性能和長期穩定性（圖2）。區別于高次諧波鎖模，嵌套腔方案可通過合理的內腔參數設計，配合增益競爭機制，來有效抑制超模噪聲，實現高相干、低噪聲的GHz重頻光頻梳。實驗中通過對該光頻梳的載波包絡相位偏移頻率的測量，驗證了其頻率梳齒分量間的高相干性（圖3）。該GHz重頻九字腔光纖光頻梳在激光雷達、雙梳測距、光譜檢測等領域具有廣泛的應用前景。

圖1.基于嵌套光纖環形諧振腔的9字腔光頻梳裝置圖

圖2.單孤子狀態連續運行90分鐘的穩定性:(a)測量光譜的時間演變，色條表示光功率譜密度。(b)重復頻率的變化。(c)典型光譜和(d) 80分鐘時的射頻頻譜。(e)輸出脈沖的典型自相關信號。

圖3.(a)基于f-to-2f的載波包絡偏移頻率檢測。 (b)在10 kHz RBW下自由運行ceo拍頻信號。

該項工作得到中國科學院青年創新促進會，國家自然科學基金，上海市自然科學基金的支持。