使用细和粗光频梳的光学合成器调谐的制作方法
【专利说明】使用细和粗光频梳的光学合成器调谐 相关申请的交叉引用
[0001 ]本申请要求2014年5月7日提交的美国临时专利申请序号61/990,023的权益，其特 此通过引用并入本文。
【背景技术】
[0002] 准确的、可调谐的光学合成在中和废水(standoff effluent)表征，高带宽及安全 通信，光谱学，气体感测，激光雷达，光学载波原子钟，以及原子和光机械惯性传感器方面具 有潜在的应用。由于尺寸、成本和功率要求，当前技术水平的光学合成器被限制到实验室使 用。
[0003] 在宽范围内（例如1530-1565nm的C波段光通信范围）实现准确和稳定光输出的光 学合成器具有被锁定到高度稳定和准确的光学参考的输出光，具有射频(RF)域中的反馈控 制。对于大尺度光学合成器，基于钛-蓝宝石或基于光纤激光器的飞秒锁模激光源的自参考 光频梳被用来将光输出参考到微波输入，能够实现光学合成。这些设备是商售的，如冰箱一 样大，并且使用大量的功率。
[0004] 在过去的几年中已进行了大量的努力来开发基于微谐振器的自参考光频梳，其使 用比基于传统锁模激光器的光频梳更少得多的功率进行操作。然而，光频梳由光学干涉仪 中的自参考进行操作。这尚未使用微谐振器实现，因为在用超过1瓦的激光功率同时地被激 发时没有能力来用细梳齿间距控制微谐振器，其被用来创建足够宽的梳(例如，倍频程跨 越)以进行自参考。
【发明内容】
[0005] 本文的实施例提供一种光频合成器，包括粗光频梳，细光频梳，和输出激光器。粗 光频梳被用第一栗浦激光器栗浦，并且设置了粗光频梳中的至少一个齿的绝对频率。细光 频梳被用第二栗浦激光器栗浦并且具有被锁定到射频参考的分数或整数倍的齿之间的频 率间距。最初，第二栗浦激光器被锁定到粗光频梳的第一齿。光频合成器可通过扫描第二栗 浦激光器到接近粗光频梳的期望的齿，并且锁定第二栗浦激光器到期望的齿来调谐。然后， 在第二栗被锁定至期望的齿之后，输出信号可以基于细光频梳的齿用输出激光器生成。
【附图说明】
[0006] 应理解的是附图仅描绘示例，并且因此不应被认为是在范围方面的限制，将通过 使用附图来用另外的特征及细节描述示例，其中：
[0007] 图1是图示出基于两个光频梳的示例光频合成器的图。
[0008] 图2是图示出光频合成器的示例输出连同两个光频梳的示例输出的图。
[0009] 图3是用于如果两个光频梳未被相互参考则调谐图1的合成器的示例方法的流程 图。
[0010] 图4是用于如果两个光频梳被相互参考则调谐图1的合成器的示例方法的流程图。
[0011] 根据一般惯例，各种描述的特征未按比例绘制，而是被绘制成强调与示例相关的 特定特征。在各种图中的相似的参考数字和标记指示类似的元件。
【具体实施方式】
[0012] 本文描述的主题提供基于两个光频梳的光频合成器。在降低了激光功率要求的情 况下所述光频合成器在宽的调谐范围内具有细调谐分辨率。
[0013]图1是图示出此类光频合成器10的示例的图。光频合成器10包括细光频梳(FC)102 和粗光频梳(CC) 104。FC 102具有相对细的间距，而CC 104具有相当地粗的间距。所述合成 器10还包括处理设备12(例如，微处理器)和输出激光器20。
[0014] 在示例中，FC 102可以通过用第一栗浦激光器22栗浦用于FC 102的第一谐振器28 (例如，微谐振器)而生成，并且CC 104可以通过用第二栗浦激光器24栗浦第二谐振器30而 生成。在替代示例中，FC 102可以通过将来自第一栗浦激光器22的信号提供到调制器而生 成。在另一示例中，FC 102可以通过将来自第一栗浦激光器22的信号提供到调制器，并且将 来自调制器的输出提供到谐振器来生成。
[0015] 图2是图示出输出激光器20的示例输出光26，FC 102和CC 104的图。设置了CC 104 的频率偏移。在示例中，频率偏移通过自参考CC 104的两个齿而被设置。如已知的，为了能 够实现此类自参考，CC 104跨越光学倍频程。例如，在CC 104中存在许多对的齿(m，n2)，其 可满足关系2*频率(m)大约等于频率(n2)(即，倍频程分开的一齿对）。每个齿的光频可以写 成频率( ηι)=Κ+η2*(Χ3。如果m齿在非线性介质中加倍，并且用112齿进行外差拍音(beat note)，则可以处理该拍音以识别频率偏移。在最坏的情况下，频率偏移可与CCS/2-样大， 其可能频率太高而不能用光接收器直接检测到。因此，如果自参考拍音频率在检测器的带 宽之外，则没有拍音将被观察到。如果没有观察到拍音，则用于FC 102和CC 104的栗浦激光 器22,24可以被扫描（向上和/或向下）以找到拍音，但是不需要被扫描超过1/2*CCS 108。可 以用处理设备12和适当的检测器来检测拍音。然后处理设备12可以将信号发送到栗浦激光 器22,24来调整栗浦激光器22,24的频率以便在所期望的点处设置频率偏移。在替代示例 中，替代使用自参考干涉仪，通过参考栗22,24(即，CC 104的mo齿）到另一个足够稳定的激 光器来设置频率偏移，诸如光学原子钟的输出。
[0016] 在示例中，CC 104是独立地稳定的，以使得CC 104的齿的绝对频率是已知的。在另 一示例中，CC 104可以通过在CC 104与FC 104之间形成互锁来稳定。此类互锁在下面被更 详细地解释。
[0017] 在一个示例中，射频参考被用来直接地调制细梳栗浦激光器22,创建具有等于RF 参考的分数或整数倍的FCS 106的FC 102。在另一示例中，FCS 106被使用射频电子装置进 行检测，并被通过细梳谐振器自由光谱范围的闭环控制稳定到射频参考。FC 102的FCS 106 被选择为足够小，从而该FCS 106可以基于锁定FCS 106至稳定的RF参考而在所期望的误差 范围内。在示例中，稳定的RF参考处在10MHz，且FCS 106是基于10MHz的分数或整数倍(诸如 20GHz)而被生成。
[0018] FC 102的第一齿110可以被锁定至CC 104的第二齿112。在示例中，第一齿110可通 过控制第二栗浦激光器24使得第二栗浦激光器24被锁定至所述第一栗浦激光器22而被锁 定至CC 104的第二齿112。特别地，处理设备12连同适当的检测器可以被配置成检测第一栗 浦激光器22与第二栗浦激光器24之间的频率的差异，并且基于其来控制第二栗浦激光器24 以将第二栗浦激光器24锁定到第一栗浦激光器24。当FC 102和CC 104被锁定至彼此锁定的 栗浦激光器时，FC 102和CC 104中的至少一个齿将处于栗浦激光器22,24的频率。在示例 中，那些齿频率中的两个是FC 102的第一齿110(例如，中心齿"no"）和CC 104的第二齿112 (例如，中心齿"m〇"）。
[0019] 在FC 102的中心齿被锁定至CC 104的中心齿的情况下，FC 102的齿的绝对频率是 已知的。因此，输出信号26可以基于FC 102的齿而生成。为了生成此类输出信号26,处理设 备12被耦合到输出激光器20和FC 102,使得处理设备12可以检测来自输出激光器12的光26 与FC 102的被选择的齿之间的频率差异。处理设备12还被设置成控制输出激光器20以由此 调整光26的频率。在示例中，处理设备12是直接数字合成器(DDS)，其基于外部RF参考信号 在微波波段中进行操作。
[0020] 在操作中，处理设备12接收信号，其指示用于来自输出激光器20的光26的期望的 输出频率。此信号可以被从任何适当的源接收，例如，接收来自人的输入的较高水平的计算 系统。处理设备12选择在期望的输出频率附近的FC102的齿16。在示例中，处理设备12选择 最接近期望的输出频率的FC 102的齿16。然后，处理设备12检测FC 102的被选择的齿16与 来自输出激光器20的光26的频率之间的频率差异。基于被检测的频率差异，处理设备12控 制输出激光器20,使得光26被设置在期望的输出频率处。特别地，处理设备12控制输出激光 器20，使得来自那里的光26被设置在远离FC 102的被选择的齿16的光学偏移频率锁(00FL) 处，其中光学偏移频率等于期望的输出频率和FC 102的被选择的齿16的频率之间的差异。 特别地，处理设备12可以生成被发送到输出激光器20的频率信号，并且由输出激光器20生 成的光26的频率是基于从处理设备12(例如，DDS)所接收的信号的频率。从处理设备12(例 如，DDS)发送的用以控制输出激光器20的信号的频率在本文被称为增量(de 1 ta)频率。
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