[发明专利]一种高灵敏度的光频梳时钟抖动测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种高灵敏度的光频梳时钟抖动测量方法及系统。本系统包括傅里叶分析仪、参考源和一锁相环路；锁相环路包括平衡微波光子鉴相器、低噪声放大器和环路滤波器；平衡微波光子鉴相器与该参考源的高频微波输出端口连接，用于对待测光频梳重复频率的整数次谐波与高频微波输出端口输出的参考微波信号的相位进行比较，得到两者的误差相位并将其转换成误差电压输出给低噪声放大器；低噪声放大器经环路滤波器与该参考源的压控频率控制端口连接；参考源的频率步进调谐端口，用于接收步进调谐参考源的频率；傅里叶分析仪，与平衡微波光子鉴相器的输出端连接，用于获得待测光频梳重复频率整数次谐波的相位噪声功率谱，计算待测光频梳的时钟抖动。

技术领域

本发明涉及一种适用于光频梳的极低时钟抖动测量方法及系统。通过构建一个光电混合锁相环将待测光频梳与一个极低相位噪声的高频、频率可调谐光电振荡器的相位锁定在一起，从而可获得光频梳整数倍重复频率成分的相位噪声，再通过该相位噪声转换成光频梳的时钟抖动，属于光学测量领域。

背景技术

光学频率梳是指在光频谱上具有等频率间隔的光梳齿，在时域表现为一系列的超短光脉冲。光学频率梳在高精度光谱学、光信号处理、传感、光钟等领域具有巨大的应用潜力。近些年来，随着高性能光子模数转换器、高精度时频传递、超低相位噪声微波信号产生、光子雷达、大容量光通信与光互连以及光脉冲合成等的发展，越来越多地要求光频梳具有极低的时钟抖动。因此，高灵敏度的光频梳时钟抖动测量技术显得尤为重要。目前文献报道的光频梳时钟抖动测量方法主要包含五类：第一类是采用射频频谱分析法；第二类是鉴相法；第三类是光学互相关法；第四类是光学外差法；第五类是光纤延迟线法。

以下是文献报道的五类光频梳时钟抖动测量技术和方案：

[1]方案1，如图1是采用射频频谱分析的方法，该方法最早于1986年提出(D.vonder Linde,“Characterization of the noise in continuously operating mode-locked lasers,”Appl.Phys.B.39,201-217,1986.)。该方案通过一个宽带光电探测器检测出光脉冲的高阶谐波成分，通过带通电滤波器选取需要分析的谐波成分，再通过频谱分析仪直接测量该谐波近端的噪声，从而得到光频梳的时钟抖动。

[2]方案2，如图2是鉴相法的系统结构。该方案的核心思想最先是用来测量微波信号源的相位噪声。由于光频梳的时钟抖动可由重复频率的相位噪声进行估计，因此通过测量光频梳重复频率的相位噪声可以间接得到光频梳的时钟抖动。该方案首先通过一个宽带光电探测器探测出待测光频梳的重复频率及其谐波成分，然后使用一个带通电滤波器选择其中一个谐波成分，使用一个锁相环路将该谐波与一个频率相近的参考电振荡器的相位锁定在一起，在锁相环的鉴相器输出端就可以得到该谐波成分的相位噪声，从而获得光频梳的时钟抖动。

[3]方案3，如图3是基于光学互相关的时钟抖动测量系统。该方案最早于2007年提出(J.Kim,J.Chen,J.Cox,and F.X.Kartner,“Attosecond-resolution timing jittercharacterization of free-running mode-locked lasers,”Opt.Lett.32,3519-3521,2007.)。该方法需要一个重复频率与待测光频梳重复频率相近的参考光频梳，并且参考光频梳的时钟抖动要低于待测光频梳的时钟抖动。通过一个由光学非线性晶体构成的光学互相关器比较待测光频梳与参考光频梳的脉冲时间差，从而获得待测光频梳的时钟抖动。