2.3.3　电光调制频率梳

除了采用传统的被动锁模技术获得光学频率梳（光频梳），近年来，基于电光调制产生的光学频率梳由于出色的稳定性与易控性受到了广泛的青睐。电光调制光频梳[21]基于光学晶体的二阶χ(2)非线性响应（电光效应），通过对单频激光的相位、振幅调制而产生的。电光效应即给电光晶体施加电压时，晶体的折射率发生变化，从而引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。利用铌酸锂晶体（LiNbO3）、砷化稼晶体（GaAs）、钽酸锂晶体（LiTaO3）等具有电光效应的晶体制成调制器，称为电光调制器（Electro-optical Modulator，EOM）。电光调制频率梳生成技术中最常用的是LiNbO3晶体的相位调制器（PM）和强度调制器（IM）。当单频连续激光通过EOM时，在EOM上施加微波驱动信号来产生不同频率成分的边带，并通过优化EOM参数（如直流偏置电压、微波驱动信号等），或者将不同类型EOM级联来实现一个平坦的光频梳输出。图‎2-23展示了电光调制光频梳的产生机制和实际获得的10 GHz梳齿间隔的光频梳。

图‎2-23　电光调制光频梳的产生机制和实际获得的10 GHz梳齿间隔的光频梳‎[22]

电光调制频率梳的优势在于，其重复频率由电光调制的频率决定，因此其梳齿频率间隔也是可调谐的。由于商用的电光调制器的频率能够达到40 GHz，因此很容易得到高重复频率的光频梳。当重复频率提高之后，就有可能对单根梳齿进行相位调控，从而有可能通过编程合成不同的脉冲波形。

图‎2-24给出了通过电光调制器产生光频梳的几种不同的结构。图2-24（a）（b）（c）为单调制器结构，分别采用相位调制器（PM）、强度调制器（IM）和双驱动马赫−泽德调制器（DD-MZM），调制频率由射频振荡器（RF Oscillator）产生，结构简单。但是，除了图 2-24（c）采用的DD-MZM型结构外，基于单一调制器的电光频率梳在边带数量、平坦度、光谱宽度和带外抑制比等指标上并不理想，因此不常使用。比如，利用单一PM调制连续激光得到的光频梳的梳齿平坦度就非常差，因为每个梳齿的幅值是根据贝塞尔函数变化的，即梳齿阶数越高，强度越弱。目前大多数基于电光调制的方案都采用电光调制器级联的方式来生成光学频率梳，如图2-24（d）（e）所示。常见的级联方式有：IM级联PM、PM级联IM、两个IM级联、两个PM级联、两个DPMZM（双平行马赫−泽德调制器）级联等。移相器（PS）用于对准EOM上微波信号的相位，以线性增加梳齿模式数。将电光调制器放置在谐振腔内，也可以产生光学频率梳，这种产生光频梳的结构叫作电光谐振腔。

图2-24　几种典型结构的电光调制频率梳

通过电光调制效应产生的级联的梳齿结构只有通过自参考技术锁定fceo，才构成一台真正意义的光频梳。同时，通过梳齿相位控制在时域上合成超短脉冲激光序列，才能够跟普通的锁模激光器一样，开展飞行时间距离测量。美国国家标准局的D.R.Carlson等人通过自参考技术实现了fceo锁相的光频梳，并且通过脉冲压缩手段得到了少周期的超短激光脉冲‎[22]，其实验装置如图‎2-25所示。一台波长为1 550 nm的单频激光器，通过级联3个相位调制器（PM）和1个强度调制器（IM）产生了频率间隔为10 GHz的光频梳，10 GHz的频率调制由一台低相位噪声的介质谐振腔振荡器（DRO）提供，以稳频本地振荡器（STALO）的结构将自由运转的DRO预锁至高Q值射频谐振腔上。电光调制频率梳时域上展现为啁啾超短激光脉冲，脉冲宽度约为1 ps。为了将单频激光的相干性传递到每一根梳齿，单根梳齿的总的相位噪声必须小于π rad，从时域上讲，脉冲的定时抖动必须小于一个光学周期。射频器件的热噪声是梳齿相位噪声的主要来源。在光频梳产生之后，马上进入一个法布里−珀罗谐振腔进行滤波，可以滤除大部分热噪声。

图2-25　自参考电光频率梳的实验装置‎[22]

利用液晶空间光调制器对每根梳齿进行相位控制，实现变换极限的超短激光脉冲，经过光放大和高非线性光纤（HNLF）的光谱预展宽后，在氮化硅（Si3N4）波导中将电光脉冲频谱展宽至一个倍频程。此时，通过f−2f自参考技术能够探测到fceo，信噪比为30 dB，反馈至DRO的频率输入端口，可以实现fceo的稳频。锁相后的fceo信号的相位噪声为1.17 rad [10 Hz，4 MHz]，对应于0.97 fs的脉冲间定时抖动。

利用孤子自压缩过程可以将电光光频梳输出的重复频率为10 GHz、脉冲宽度为1 ps的超短激光脉冲序列直接压缩为少周期的超短激光脉冲。为此，调整入射脉冲的啁啾和峰值功率，使得在氮化硅波导内传输的超短激光脉冲在接近输出端时达到孤子分裂的阈值，出射的脉冲在一段2 cm长的熔石英棒内压缩至变换极限。利用频率分辨光学门（FROG）技术测得15 fs的超短激光脉冲，对应于2.8个光学周期，其单脉冲能量为100 pJ，平均功率为1 W。