通过非线性光纤实现钛宝石光梳与1.5微米激光相干传递

近年来，高精度光频标的频率不确定度和不稳定度都已经达到1´10-18，使频率测量提升到前所未有的精度，频率是目前所有物理量中测量精度最高的。高精度光频标的发展不仅促进了时间/频率单位“秒”的革新，也将为开展相对论检验、引力势测量、暗物质搜寻等基础前沿研究提供高精尖的仪器。基于高精度的光频标网络是开展上述研究与应用的主要方法与途径之一。但是，大部分光频标的波长都在1.13 mm以下，而光纤通讯波段则在1.26-1.63 mm，如图1a所示。要相干连接光频标与光通讯波段往往不能只依靠单个光频梳，因为还没有一种光频梳能同时覆盖上述两个波段。目前常用的方法需要借助光学倍频等方式实现光频标与光纤通讯波段的连接。

另一方面，随着基于低温硅腔和低温蓝宝石腔的稳频激光的频率不稳定度达到10-17水平（波长一般处于1.5 mm），许多研究者都希望能将如此低噪声稳频激光的相干性传递到光频标波段，从而提高光频标的频率稳定度。这也需要建立1.5 mm激光与光频标的相干连接。

实验室光频控制与合成课题组设计了如图1b的实验方案，通过1.5 mm激光与钛宝石飞秒光梳共同在光子晶体光纤中的非线性四波混频相互作用，在可见光波段产生了与1.5 mm激光相关联的光梳（如图b中的虚线所示）。这个新产生的光梳与钛宝石光梳在可见光波段（文中演示了600 nm附近）拍频，从而获得1.5 mm激光与钛宝石飞秒光梳拍频信号，即建立了1.5 mm激光与钛宝石飞秒光梳的相干连接。与常规借助于倍频的方法相比，该方法具有探测带宽宽、信噪比高、结构简单等优点。

在上述相干探测的基础上，课题组又将镱原子光频标的钟激光信号（578 nm）相干传递到1.5 mm波段，并与传统探测方案——将1.5 mm激光倍频后再与钛宝石光梳拍频的方法进行比对，证明采用该方法引入的频率传递噪声小于6´10-18 （1秒平均时间）和1´10-20 （1000秒平均时间），频率传递不确定度小于2´10-19，比目前最好的光频标的性能还小，因此基于上述探测方法的相干传递不影响光频标的性能。该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Photonics Research 12, 352 (2024)。

图1: (a)光频标与光梳波长分布。(b) 钛宝石光梳与1.5 mm激光相干探测方法原理示意图。