用于锶光钟频率测量的光纤光梳系统研究进展

张颜艳，闫露露，姜海峰,3，张首刚,3



用于锶光钟频率测量的光纤光梳系统研究进展

张颜艳1,2，闫露露1,2，姜海峰1,2,3，张首刚1,2,3

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 100049）

介绍利用掺铒光学频率梳测量锶光钟频率的研究进展。整个测频系统由掺铒光纤光学频率梳和光谱展宽及拍频系统两部分组成。掺铒光学频率梳内的掺铒光纤飞秒激光器基于非线性偏振旋转机制实现锁模，其脉冲重复频率为232MHz，腔内插入了能够快速控制重复频率的电光调制晶体。掺铒光学频率梳频率锁定后，重复频率和载波包络相移频率环内剩余噪声对稳定度的影响约1×10-16@1s和2×10-20@104s。光谱展宽部分利用高非线光纤和倍频晶体，将掺铒光学频率梳光谱范围由1575nm附近扩展到锶光钟波长（698.5nm），在该波长处的光梳单模功率达1μW。将扩展后的掺铒光学频率梳光谱与单频激光拍频得到外差信号信噪比大于40dB（分辨率带宽300kHz），满足后续锶光钟绝对频率测量的应用要求。

掺铒光纤；光学频率梳；频谱扩展；频率测量

0 引言

激光制冷、超稳激光、精密光谱等技术的出现推动时间频率领域的高速发展，未来以原子在光学波段跃迁频率为基准的光钟将代替微波钟成为更为准确的时间频率标准。与微波钟相比，光钟在频率稳定度和不确定度等参量上有数量级的提高。2010年，美国国家标准实验室的Al＋离子光钟频率不确定度率先进入10-18量级[1]，镱原子光钟[2]和锶原子光钟[3]后来居上，不确定度均进入了10-18量级，未来的原子核钟有可能达到更高的精度[4]。但是由于光钟原子及离子的高频振动（1014Hz/s）不能被传统的电子系统直接、精确记录，光钟发展受到很大的限制[5-6]。德国马普实验室的Hansch课题组首先利用飞秒光学频率梳（简称光梳）实现了跃迁频率为335 THz的铯原子绝对频率测量[5]，随后美国JILA实验室利用特殊结构的光纤将飞秒光学频率梳的输出光谱宽度扩展至300 THz，实现微波与光频的直接连接[6]，使光钟的频率测量和评估成为可能。

作为目前唯一的光频测量工具，光梳是频率受控的锁模飞秒激光器，时域信号是一系列间隔相等的飞秒脉冲激光；频域上光子的频率分布在间隔严格相等的一系列频率范围内，且它们之间的相位高度相关[7-9]。光梳的每个频率值由两个射频频率分量（重复频率和载波包络相移频率）确定，将这两个频率信号相位锁定，就实现了光梳所有频率分量的精确相位控制。光梳研究的初期，主要是基于钛宝石锁模激光器产生光梳[10]，该激光器具有噪声低，稳定性好等优点，但是钛宝石激光器系统结构比较复杂，成本高，调试和日常维护需要专业人员，不利于应用推广。随着光纤材料科学及相关技术的不断发展，基于不同光纤锁模激光器的光梳系统先后面世[11-14]，光纤光梳因其具有体积小、功耗小等优点，方便用于一些特殊的环境中，尤其是直接输出光谱覆盖1.5μm通讯波长的掺铒光纤光梳，得益于光纤通讯技术的迅猛发展，在元件选取、价格、应用等方面更具优势。

在利用光梳进行光钟频率测量和比对时，有两个必要条件：①光梳的频率控制稳定度优于被测钟的稳定度，②光梳输出光谱覆盖钟跃迁激光频率。本文介绍中国科学院国家授时中心自主研制的用于锶光钟频率测量的掺铒光纤光梳系统。本系统的核心是自主研制掺铒光纤飞秒激光器；采用腔内电光调制器（EOM）和压电控制器（PZT）同时控制其重复频率，实现了重复频率的长期、稳定控制[15-16]。在此基础上，利用光谱非线性变换技术，将光梳光谱范围扩展到锶光钟波长698.5 nm处。最后得到光梳与698.5 nm锶光钟激光的外差拍频信号的信噪比大于40 dB（频谱分辨率300 kHz），满足频率测试仪器的驱动要求。

1 实验装置与结果

用于锶光钟频率测量的光梳系统由掺铒光纤光梳和光谱扩展及拍频系统两部分组成，系统结构如图1所示。掺铒光纤光梳的频率将锁定在外参考频率信号上，系统附加的噪声影响相对于光钟噪声水平可以忽略不计。光谱扩展及拍频系统将光梳的光谱扩展到待测锶光钟激光波长，并与其拍频，用于实现以外参考频率为标准的精确频率测量。

1.1 掺铒光纤光学频率梳

掺铒光纤光梳由飞秒激光源、载波包络相移频率产生及控制单元和重复频率探测及控制单元组成。飞秒激光源是光梳的核心，其光学腔的长度和色散特性分别决定了重复频率和载波包络相移频率的大小。载波包络相移频率和重复频率均通过锁相环电路，实现频率的精确控制，二者的控制带宽和范围决定着光梳系统的频率输出的附加噪声水平和长期频率锁定能力。

1.1.1 飞秒激光源

飞秒激光源的结构示意图如图1左半部分所示，其泵浦光（波长976 nm）通过带隔离器的反射式波分复用器进入光学腔内的掺铒增益光纤，泵浦光的最大功率达1.1 W。飞秒激光源的光学腔为环形结构，包括78 cm的光纤和约11 cm的自由空间。其中增益光纤长度为43.5 cm，采用的是LIEKKI公司的Er110-4/125光纤，该光纤增益高，对波长1 550 nm的色散系数为12 fs2/mm。其他光纤为普通单模SMF-28光纤，对波长1 550 nm的色散系数为-23 fs2/mm，光学腔的净色散量约-2 000 fs2。自由空间光路包括准直器、波片、偏振分束器、反射镜、电光控制器和压电控制器，其中反射镜粘贴在压电控制器上，用于控制光学腔腔长，电光调制晶体通过电光效应控制晶体沿激光方向的折射率改变光学腔光学腔长。本系统中压电控制器长为2 cm，其控制电压范围0~150 V，对应腔长改变量~30μm，重复频率改变~3 kHz；电光调制晶体通光方向长8 mm，其控制电压范围-200~200 V，重复频率改变量~30 Hz。压电控制器和电光调制晶体共同控制腔长，实现重复频率高带宽、大范围的精密控制。光梳系统的重复频率为232 MHz，直接输出功率为180 mW（泵浦功率1 W）。图2（a）为飞秒激光器的输出光谱，可以看出：输出光谱的中心波长为1 575 nm，光谱宽度为40 nm左右，图2（b）为利用自相关仪测量得到的飞秒激光输出脉冲的自相关函数，假设输出脉冲形状为双曲正割型，可以得知输出脉冲的宽带为40 fs。

注：l/2为1/2波片；l/4为1/4波片；WDM为波分复用器；ISO为隔离器；PBS为偏振分束器；CO为准直器；CW为连续波；SYN为频率综合器；PZT为压电陶瓷驱动器；EOM为电光晶体调制器；HNLF为高非线性光纤；M为棱镜；BPF为带通滤波器；PPLN为倍频晶体；LP为环路滤波器。

图2 飞秒激光器输出光谱和脉冲自相关函数

1.1.2 载波包络相移频率产生及控制

载波包络相移频率的产生采用“-2”自参考的方法[17]，该方法是将飞秒激光源输出的光谱利用高非线性元件扩展，使其包含一个光谱倍频程，而后提取低频成分并将其倍频后与光谱中的高频成分拍频，获得载波包络相移频率信号。如图1右上部分实线部分所示，飞秒激光源输出约30mW的飞秒激光首先进入长度为150cm，色散在1550 nm波长处为负的光纤中，通过补偿一定的负色散，对脉冲进行预啁啾管理，使其在时域上展宽，以降低激光脉冲的峰值功率，减小脉冲放大过程中产生的非线性相移引起的脉冲分裂。之后，激光脉冲经过正向泵浦的掺铒光纤放大器将输出功率放大到280 mW，该掺铒光纤放大器采用的增益光纤长度约为80 cm，该长度范围内能够保证光纤放大器泵浦效率不变。在放大器的输出端熔接长度为50 cm的普通单模光纤（SMF-28），对脉冲进行去啁啾处理和时域整形，最终得到接近傅里叶变换极限的超短脉冲输出，该脉冲宽度约60 fs。经放大、压缩后的飞秒脉冲入射到长约30 cm的高非线性光纤，得到包含一个倍频程的扩展光谱。所用高非线性光纤为ofs公司提供，非线性系数为24（W.km）-1，色散系数为＋6 ps/nm/km。该光纤的模场直径（约3.6μm）与压缩所用SMF-28光纤的模场直径相差较大，两者之间的熔接效率为85%。

图3（a）为经高非线性光纤扩展后得到的光谱分布曲线，可以看到：光谱在波长为1 010 nm和2 020 nm附近的光谱功率占整个光谱总功率的20%和10%，保证了光谱在两个波长具有足够的能量进行后续的干涉。将产生的超连续光谱入射至共路-2光路中，用带宽为2GHz的光电探测器（EOT3000A）探测得到载波包络相移频率信号的信噪比约40 dB（分辨率为300 kHz），图3（b）为探测得到的含有载波包络相移频率信号频谱图。在实验的过程中，为了获得高信噪比的载波包络相移频率信号，一方面通过偏振态的控制，保证光谱尽可能多的能量分布在1 010 nm和2 020 nm处；另一方面通过在高非线性光纤后熔接一段SMF-28光纤，补偿1 010 nm和2 020 nm两个光谱成分在高非线性光纤中的不同相位延迟量。

图3 载波包络相移频率扩展光谱和频谱

载波包络相移频率的控制是通过改变振荡器的泵浦功率实现的，经测试，该系统中载波包络相移频率对电流的敏感度为0.2 MHz/mA。锁定载波包络相移频率结构如图1右上部分虚线所示，首先利用带通滤波器提取频率为341.7 MHz的载波包络相移频率信号，经40分频的分频器后，将频率为17.1 MHz的频率信号与同频率的参考信号源混频，得到误差信号，通过环路滤波器反馈到振荡器泵浦源上，实现载波包络相移频率的锁定。在锁定的过程中，通过优化环路滤波器的PI参数，使得其控制带宽达25 kHz。图4（a）为利用Π型计数器（K&K）对载波包络相移频率信号计数6 ks的结果，其频率采样间隔为1 s，从图中可以看到其频率抖动为120 mHz，计算对应的Allan方差为1.3×10-16/，如图4（b）所示。该稳定度优于光钟和基准频率信号，因此满足锶光钟频率测量要求。

图4 载波包络相移频率锁定的频率抖动和稳定度

1.1.3 重复频率探测及控制

载波包络相移频率锁定后，光梳各梳齿频率稳定度由重复频率决定。重复频率的锁定是通过PZT和EOM控制飞秒激光源的腔长实现，如图1右下部分所示。该实验系统中首先将波长1 555 nm的单频激光器（NKT）与光梳梳齿拍频，探测得到的拍频信号信噪比达35 dB（分辨率为300 kHz）。用带通滤波器提取出频率为320 MHz的拍频信号，并输入到40分频的分频器中，得到频率为8 MHz的拍频信号，将分频后的拍频信号与8 MHz的参考信号进行混频，最后将得到的误差信号反馈到压电控制器和电光调制器控制上，进行频率控制。压电陶瓷控制器的响应带宽为千赫兹量级，但其控制范围比较大（约30 kHz），而电光控制器的控制带宽可达兆赫兹量级，但其控制范围很有限（约30 Hz），压电控制器和电光调制器控制对重复频率的联合控制，使得光梳系统能够长时间、低噪声运行，最终保证光梳对锶光钟频率长期、不间断的实时监测。

为了评估重复频率锁定后的频率抖动，利用功分器将之前选定的拍频信号（320 MHz）和信号源混频，得到1 MHz的差频信号，进入Π型计数器（K&K）中。图5（a）给出了重复频率锁定24 h频率抖动结果，其频率抖动约60mHz，图5（b）给出了对应的频率稳定度为7×10-17/。利用傅里叶变换分析仪（斯坦福SR785）测量得到重复频率的相位噪声谱如图6所示，由于电源噪声的影响，相位噪声水平在50 Hz附近相对较高。通过对相位噪声谱积分，得到相位抖动在频率为0.1 Hz~100 kHz范围内小于1 rad。

图5 重复频率锁定的频率抖动和稳定度

图6 重复频率锁定的相位噪声

1.2 光梳光谱展宽和拍频单元

掺铒光纤光梳的中心波长在通信波段，其光谱3 dB宽度约40 nm，而锶光钟原子跃迁对应波长在698.5 nm处，要用掺铒光纤光梳对锶光钟原子跃迁频率进行测量，首先要使光梳光谱覆盖到锶光钟原子跃迁的频率。

中国计量科学研究院2015年报道了同类研究工作，光谱拓展部分采用先倍频后展宽光谱的方案[18]。首先将掺铒光纤光梳的光谱倍频到780 nm附近，之后利用高非线性光纤进行光谱展宽，该方法可以使光梳光谱覆盖可见光范围内的多个频率量，实现多个频率同时测量，但是利用该方法得到的扩展光谱对应的单模能量低，导致光梳与待测频率的拍频信号信噪比不高（30 dB@100 kHz 分辨率）。我们的实验系统采用的先光谱展宽后倍频的方案。将光梳输出光进行脉冲展宽、放大和脉冲压缩之后，输入到高非线性光纤中进行光谱展宽，而后利用倍频晶体将光梳光谱能量下转换到锶光钟原子跃迁频率处。该方法所得下转换波长的宽带相对较窄（宽度约0.5 nm左右），但是所得的下转换波长对应的梳齿单模能量高（约1μW），保证锶光钟频率顺利测量。

如图1下部分所示，首先通过控制展宽光纤和压缩光纤的长度、掺铒放大器的功率，调节输入到高非线性光纤中光脉冲的脉冲宽度和峰值功率分别为50 fs和1.5 nJ，并通过选择合适的高非线性光纤的长度，保证扩展光谱在锶光钟原子跃迁二倍波长（约1 400 nm）附近具有足够的功率用于光谱下转换，如图7（a）所示，得到的光谱在1 397 nm处光功率为0.9 mW/nm。所采用的高非线性光纤由ofs公司提供，其色散系数为-0.4 ps/（nm.km）@1 550 nm、有效面积为12.5μm2@1 550 nm。最后，利用周期为15.06μm、长度为50 mm的MgO：PPLN（periodically poled lithium niobate）倍频晶体，将光谱倍频到698.5 nm处，得到该波长处的脉冲峰值功率为5 nJ，其单模功率达1μW。一般来讲，100 nW的单模激光信号拍频后可获得30 dB的信号噪声比结果（300 kHz分辨率），这样信号的频率和相位可以满足后续通用仪器分析的要求。所用的倍频晶体产生倍频光的波长对温度的敏感系数是0.3nm/°C，可以通过温度调节使其在698.5nm处的能量最高，倍频后的光谱分布如图7（b）所示。最后，将扩展后的光与波长为698.5nm的单频激光器进行拍频，并用光电探测器（EOT-2030A）探测拍频信号。图8给出得到的拍频信号，其信噪比约为40 dB（分辨率300 kHz）。

众所周知，宽频噪声主要来源于热噪声（thermal noise）和散弹噪声（shot noise），散弹噪声与入射光功率成正比，而热噪声是恒定的。图8所示噪底约为-85 dBm@300 kHz，对应-140 dBm/Hz白噪声水平；无光情况下测试的噪声（即热噪声）约为-150 dBm/Hz；因此，白噪声贡献主要来源于散弹噪声。测试时，单频激光的功率仅~0.2 mW（与光梳功率相当），如果单频激光入射功率提升到1~2 mW，拍频信号的信噪比还可以提高近3 dB。

图7 扩展光谱及经PPLN晶体后的光谱

图8 光梳与单频激光（波长698.5 nm）拍频信号

2 结论

本文介绍了用于锶光钟频率测量的掺铒光纤光梳系统的研究进展。该掺铒光纤光梳通过同时控制腔内EOM和PZT实现重复频率大范围、高带宽的控制，保证光梳系统具有长期、稳定运行的能力。光梳系统的频率控制稳定度约为1×10-16/，光频相位抖动小于1 rad（0.1 Hz~100 kHz）。在此基础上，利用非线性光谱展宽技术将光梳的光谱扩展到锶光钟波长处（698.5 nm），单模功率高达1μW。最后，与单频激光拍频获得信噪比约为40 dB（300kHz分辨率）的下变频信号，能够直接驱动商用基带频率测量设备，满足锶光钟高精度频率测量和比对的需求。

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Development of an erbium fiber-based femtosecond optical frequency comb used for frequency measurement of Strontium clock

ZHANG Yan-yan1,2, YAN Lu-lu1,2, JIANG Hai-feng1,2,3, ZHANG Shou-gang1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

We demonstrate a home-made erbium-doped-fiber optical frequency comb for frequency measurement of Strontium optical clock. The mode-locked laser is based on nonlinear-polarization-rotation (NPR) mechanism with a repetition rate of 232 MHz. An intra-cavity electro-optic modulator is used to stabilize the repetition rate for tight frequency control. In-loop frequency instabilities of the carrier envelope offset and repetition rate are about 1´10-16at 1 second and integrate down to low 10-20level at 104seconds. By using highly nonlinear fiber and MgO: Periodically poled lithium niobate, optical spectrum is broadened from infrared 1 575 nm to 698.5 nm with a power density of about 1 μW/mode. Spectrum of beatnote between a 698.5 nm CW laser (i.e. the Sr clock laser) and the comb shows a signal-to-noise ratio (SNR) of about 40 dB with 300 kHz measurement bandwidth.

erbium-doped fiber; optical frequency combs; frequency broaden; frequency measurement

TN249

A

1674-0637(2017)03-0129-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0129-08

2017-01-19

国家自然科学基金资助项目（91336101，61127901），中国科学院“西部之光”人才培养计划重点资助项目（2013ZD02）

张颜艳，女，助理研究员，主要从事光学频率梳及其应用的研究。