中科院半導體所團隊實現(xiàn)1550/1310 nm波長10 GHz寬帶光學頻率梳的產生

  光學頻率梳(光頻梳)在時間域上具有固定重復頻率的超短光脈沖，可以產生極高的峰值功率;在頻率域上具有等頻率間隔的梳齒，可以將光學頻率相干地連接到微波頻率，已廣泛應用于光學頻率計量、氣體檢測、天文光譜和基本物理常數的校準等領域。

  光頻梳的發(fā)明者美國國家標準局的 John L. Hall 和德國馬普學會的 Theodor W. H?nsch據此獲得了 2005 年的諾貝爾物理學獎。已商用的摻鈦藍寶石鎖模光頻梳和光纖鎖模光頻梳由于諧振腔長度較長，重復頻率通常只能在GHz以下。

  然而，10 GHz重頻以上的光頻梳在天文類地行星探測、光通信和任意波形產生等領域有著重要的應用，近年來產生高重復頻率的光頻梳成為新的研究熱點。利用傳統(tǒng)的飛秒激光器通過減少腔長或利用高精細度的法布里-伯羅腔濾波，可以直接或間接獲得高重頻的光頻梳，但是其控制系統(tǒng)極其復雜且控制精度極其嚴格。

  利用連續(xù)激光泵浦高品質因子的回音壁光學微腔可以產生很高重復頻率的光頻梳，但是只能通過材料吸收等效應引起的折射率變化進行極小范圍內的重頻調節(jié)。

  中國科學院半導體研究所黃永箴研究員課題組針對傳統(tǒng)的鈦藍寶石鎖模光頻梳和光纖飛秒激光器很難產生高重復頻率的光頻梳，回音壁微腔產生的光頻梳無法實現(xiàn)重復頻率的大范圍調節(jié)等問題，通過皮秒光脈沖泵浦高非線性光纖，產生波長在1550 nm和1310 nm范圍的高重復頻率(≥10 GHz)且重復頻率大范圍可調的光頻梳，同時解決了高重復頻率脈沖受限于低的脈沖峰值功率，無法實現(xiàn)寬的光譜覆蓋范圍等難題。

  在高非線性光纖近零的正色散處利用10 GHz重復頻率的脈沖泵浦，在1550 nm波長附近通過自相位調制效應產生了光頻梳的梳齒數目超過500根(5 dB的平坦度)，通過色散補償最終得到脈沖的寬度小于300 fs(如圖1(a))。

  利用產生的皮秒和飛秒脈沖分別在氟碲酸鹽和石英高非線性光纖的反常色散區(qū)泵浦可以在1310 nm處產生高相干的色散波(如圖1(b)所示)。與此同時，本文展示了不同脈沖的峰值功率和光纖色散對光頻梳寬度、平坦度和色散波中心波長的影響，以及重復頻率最高到20 GHz時的光頻梳的產生效果，對高重頻光頻梳的產生和擴譜具有重要的指導作用。

圖1(a)26.5 dBm泵浦功率下產生10 GHz重頻的平坦光頻梳光譜圖;(b)不同功率泵浦下氟碲酸鹽光纖產生中心波長在1310 nm附近的色散波

  該研究成果以“10-GHz broadband optical frequency comb generation at 1550/1310 nm”為題，作為封底文章發(fā)表在英文期刊 Opto-Electronic Advances 2020年第7期。