近红外相干傅里叶散射技术在硅材料深层亚表面纳米结构测量中的应用

《Optics and Lasers in Engineering》：Near-infrared coherent Fourier scatterometry for deep subsurface nanostructure metrology in silicon

稳定飞秒电光频率梳的生成方法基于双环光电振荡器与参数频率混频器，通过光注入DFB激光器的P1振荡态调控微波信号频率，利用1公里单模光纤提升微波信号质量并压缩脉冲至300飞秒，结合参数混频实现光谱扩展，最终生成重复频率10.20-18.21 GHz、光谱宽度20.75 nm、216条梳线的飞秒电光频率梳，适用于精密测量等领域。

　　这项研究提出并实验验证了一种基于双环光电子振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器的稳定飞秒电光频率梳（EOFC）生成系统。该系统利用光注入技术，在半导体激光器中实现周期一（P1）状态，从而选择相应的微波信号。通过在DL-OEO中引入长距离的单模光纤（SMF），不仅能够提升系统生成的微波信号质量，还实现了对光脉冲的压缩。进一步地，将压缩后的种子脉冲送入参量频率混频器，使其脉冲宽度进一步压缩至飞秒级别。实验结果表明，该系统能够生成重复频率在10.20 GHz到18.21 GHz之间、脉冲宽度约为300 fs的EOFC，并具有20.75 nm的10 dB谱宽和216条梳线。这种飞秒EOFC在精密测量、光通信、量子计算等领域展现出广阔的应用前景。

频率梳是一种由均匀间隔频率成分组成的光谱，其相干和稳定的相位关系使其在多个科学和技术领域中具有重要价值。在精密测量中，频率梳的脉冲宽度是影响其性能的关键因素之一。较宽的脉冲宽度会降低频率梳在频率域中的分辨率和精度，而超短脉冲宽度则能够显著提升时间分辨率和频率精度。因此，如何在保持频率梳稳定性和相干性的同时，实现脉冲宽度的压缩，成为研究的重要方向。

传统上，生成频率梳的方法主要包括锁模激光器（MLLs）和外部调制技术。锁模激光器能够产生具有大带宽和高稳定性的频率梳，但其重复频率通常限制在GHz量级，且控制其锁模状态具有挑战性，需要良好的热和声学隔离，以及稳定的光学参考或载波包络偏移（CEO）稳定化方案。相比之下，外部调制方法因其无腔结构、可调重复频率和持久的频率稳定性，被广泛应用于电光频率梳的生成。其中，相位调制器（PMs）是常用的调制器之一，但其在产生频率梳时需要额外的组件，如双正弦波驱动和啁啾光纤布拉格光栅，以平坦化功率谱。然而，这种方法生成的梳线数量有限，因此需要通过多级调制器的级联来增加梳线数量。例如，使用两个级联的PM和啁啾布拉格光栅，或使用IM和PM的级联结构。在这些方案中，梳线数量的限制主要来自于驱动射频（RF）信号的固有幅度限制。调制激光的相位噪声会随着边带阶数的增加而线性增长，这导致在生成更多梳线时，激光的相位噪声会恶化。

近年来，研究人员通过半导体激光器的级联注入，实现了具有大带宽和窄线宽的频率梳。这种方法利用外部微波信号对注入光束进行调制，从而实现谐波注入锁定，使激光器进入P1动态状态。然而，由于半导体激光器和外部微波源的相位噪声较高，限制了所生成频率梳的质量。因此，如何降低相位噪声并提高频率梳的性能，成为进一步研究的重点。

光电子振荡器（OEOs）被证明能够生成具有低相位噪声和宽频率范围的自激微波信号，因此在基于调制器的EOFC生成系统中具有重要应用价值。此外，一些研究提出使用电吸收调制激光器或垂直腔面发射激光器作为自振荡EOFC生成器。在这些方案中，频率选择通常依赖于具有窄通带的电气滤波器，这限制了重复频率的可调性，同时调制深度的限制也会影响边带频率成分的生成。例如，周等人在研究中利用光注入的半导体激光器在OEO中生成了重复频率在6.5 GHz到15 GHz之间、脉冲宽度低于20 ps的频率梳，但其脉冲宽度仍然处于皮秒级别。为了克服带宽限制，研究人员引入了非线性谱展宽技术，如在高非线性光纤（HNLF）中进行四波混频（FWM），从而将EOFC的脉冲宽度压缩至飞秒级别。然而，这种方法通常伴随着系统复杂性的增加或重复频率可调性的受限。

本文提出了一种基于光注入的双环光电子振荡器（DL-OEO）和参量频率混频器的新型飞秒EOFC生成系统。该系统通过在DL-OEO中引入长距离的单模光纤，不仅提升了系统的腔Q因子，从而改善了生成的微波信号质量，还利用光纤的负色散特性补偿了相位调制引起的正啁啾，实现了光脉冲的压缩。压缩后的种子脉冲通过参量频率混频器进一步进行谱展宽，随后再次利用另一段单模光纤进行脉冲压缩，以确保脉冲宽度的一致性。通过调整谱宽，实现了重复频率在十到十八GHz量级之间的可调性，并保持了脉冲宽度约为300 fs的稳定性。该系统具有结构简单、频谱平坦、梳线间距灵活、相位噪声低以及载波噪声低等优点。

该系统的原理基于光注入技术在半导体激光器中实现P1动态状态。主激光器（ML）通过偏振控制器（PC）、强度调制器（IM）和可调光学衰减器（ATT）将光信号注入到从激光器（SL）中。SL为无隔离器的分布式反馈激光器（DFB-LD），其自由运行状态下的频率与主激光器的频率存在一定的偏移。通过调整光注入功率，可以实现重复频率的调节，从而生成具有不同重复频率的频率梳。同时，通过引入长距离的单模光纤，不仅可以提升系统的稳定性，还能够实现脉冲宽度的压缩。在实验中，当P1动态状态的频率为12.11 GHz时，单边带相位噪声在10 kHz处达到了-101 dBc/Hz的水平。

为了验证该系统的性能，研究人员进行了详细的实验测试。实验结果表明，该系统能够生成重复频率在10.20 GHz到18.21 GHz之间、脉冲宽度约为300 fs的EOFC，并且具有20.75 nm的10 dB谱宽和216条梳线。这些结果显示出该系统在频率梳生成方面的显著优势，特别是在重复频率的可调性和脉冲宽度的压缩能力方面。此外，该系统还表现出较低的相位噪声和载波噪声，这对于高精度的测量和通信应用至关重要。

在实际应用中，飞秒EOFC的生成系统可以用于多种领域。例如，在精密测量中，飞秒级的脉冲宽度能够提供更高的时间分辨率，从而实现更精确的频率测量。在光通信中，频率梳的宽谱和高稳定性能够支持更宽的频带和更高质量的信号传输。在量子计算中，频率梳的相干性和稳定性对于量子态的操控和量子信息的处理具有重要意义。因此，该系统的提出和实现为这些领域的技术发展提供了新的可能性。

此外，该系统在结构设计上具有一定的创新性。通过双环OEO的结构，不仅能够实现重复频率的调节，还能够有效提升系统的稳定性。同时，通过引入单模光纤，能够实现脉冲宽度的压缩，从而生成更短的脉冲。这种结构的简单性和灵活性使得该系统在实际应用中具有更高的可行性。在实验中，研究人员通过调整光注入功率和光纤参数，实现了对重复频率和脉冲宽度的精确控制，从而验证了该系统的性能。

该系统的研究成果表明，通过合理的结构设计和参数调整，可以有效提升频率梳的性能。这不仅为飞秒EOFC的生成提供了新的方法，也为相关技术的应用提供了更广阔的空间。在未来的研发中，可以进一步优化系统的参数，提高频率梳的稳定性，拓展其应用范围。同时，还可以探索其他调制方法和光纤技术，以进一步提升频率梳的性能和适用性。

总之，本文提出并实验验证了一种基于光注入的双环光电子振荡器和参量频率混频器的飞秒EOFC生成系统。该系统能够生成具有可调重复频率和稳定脉冲宽度的频率梳，具有较高的频谱质量和较低的相位噪声。通过结构优化和参数调整，该系统在多个科学和技术领域中展现出广阔的应用前景，为相关技术的发展提供了新的思路和方法。