近日，中科院上海光机所高功率光纤激光技术实验室在高重频飞秒光学频率梳光源方向取得重要进展。研究团队首次报道了一种基于腔内谐振滤波技术的GHz低噪声九字腔掺铒光频梳。相关研究成果以“GHz figure-9 Er-doped optical frequency comb based on nested fiber ring resonators”为题发表在Laser Photonics Reviews上。

九字腔光纤光频梳是目前技术成熟度最高的光频梳技术之一，已被广泛应用于车载、星载、外场等非实验室环境，极大推动了光频梳相关应用的发展。重复频率近GHz的光频梳在双梳测距、光谱检测以及天文频标等领域有着重要的应用。但是，目前九字腔光纤光频梳的重频一般小于250MHz，其重频的提升仍面临技术挑战。由于非线性放大环镜(NALM)锁模技术需要一定长度的光纤来积累足够的非线性相移差以启动锁模，传统的短谐振腔方案难以适用于九字腔的结构。

针对上述问题，研究团队采用嵌套腔结构（图1），由两个光纤耦合器熔接构成的Fabry–Pérot(F-P)腔对外部NALM谐振腔进行模式滤波。当内、外腔的自由光谱范围精确匹配时，可将九字腔光纤光频梳的重频倍增至GHz。实验结果表明该激光器具备优异的脉冲自启动性能和长期稳定性（图2）。区别于高次谐波锁模，嵌套腔方案可通过合理的内腔参数设计，配合增益竞争机制，来有效抑制超模噪声，实现高相干、低噪声的GHz重频光频梳。实验中通过对该光频梳的载波包络相位偏移频率的测量，验证了其频率梳齿分量间的高相干性（图3）。该GHz重频九字腔光纤光频梳在激光雷达、双梳测距、光谱检测等领域具有广泛的应用前景。

图1.基于嵌套光纤环形谐振腔的9字腔光频梳装置图

图2.单孤子状态连续运行90分钟的稳定性:(a)测量光谱的时间演变，色条表示光功率谱密度。(b)重复频率的变化。(c)典型光谱和(d) 80分钟时的射频频谱。(e)输出脉冲的典型自相关信号。

图3.(a)基于f-to-2f的载波包络偏移频率检测。 (b)在10 kHz RBW下自由运行ceo拍频信号。

该项工作得到中国科学院青年创新促进会，国家自然科学基金，上海市自然科学基金的支持。