光学频率梳偏移频率的量子干涉检测制造技术

提出了用于确定频率梳的偏移频率的方法。该方法包括：生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束；将光束指向材料上的入射点；以及检测由光束引起的材料中的光电流的振荡。值得注意的是，光束具有包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光的光学带宽，其中，第一频率小于第二频率，并且第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，以及n和i为正整数。另外，材料具有带隙并且带隙不大于第一频率的n倍。

Quantum interference detection of offset frequency of optical frequency comb

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学频率梳偏移频率的量子干涉检测政府条款本专利技术是根据由NAVY-SPAWAR授予的批准号N6601-15-1-4050以及由DOD/DARPA授予的批准号HR0011516448在政府支持下作出的。政府对本专利技术具有一定权利。相关申请的交叉引用本申请要求于2017年5月12日提交的美国临时申请第62/505,285号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
本公开内容涉及用于确定光学频率梳的偏移频率的改进的方法。
技术介绍
光学频率梳对一系列的技术具有重大且持续的影响。光学频率梳提供了将由任意大的频率差分开的光信号相干地链接以及将光学频率链接到无线电频率的能力。最初，对于梳的兴奋是由于梳在光学频率计量(即，对光的频率进行绝对测量)以及开发光学原子钟的反问题中的应用。然而，梳的应用一直在稳步扩展。这些包括相干通信和双梳光谱的发展，其中双梳光谱与传统方法相比可以更快地并且以更小的包产生更高的分辨率。对于锁模激光器频率梳，稳定和控制梳偏移频率是必要的。测量偏移频率的最常见方案是f-2f自参考。f-2f自参考的一种实现方式是检测由跨半导体隙的同时单光子和双光子吸收引起的光电流的量子干涉控制(QuIC)。该QuIC自参考方案已用于测量和稳定钛:蓝宝石激光器频率梳的载波包络相位。然而，该方案和所有其他f-2f方案均需要跨越至少倍频程(即，频率上的两倍)的频谱。该部分提供了与本公开内容相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
技术实现思路
本部分提供了本公开内容的总体概述，而不是对其全部范围或全部特征的全面公开。提出了一种用于确定频率梳的偏移频率的方法。该方法包括：生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，光束具有光学带宽，该光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，使得第一频率小于第二频率，并且第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，并且n和i为正整数；将光束指向材料上的入射点，其中，材料具有带隙并且带隙不大于第一频率的n倍；以及检测由光束引起的材料中的光电流的振荡。在一个实施方式中，第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+1，m为大于1的整数，并且n为正整数。更具体地，第二频率与第一频率之比可以是3∶2。光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。可以使用锁模激光器生成第一光束。光束的重复率可以在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。将材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。在一些情况下，材料具有大于第一频率的两倍但小于第一频率的三倍的带隙。可以通过测量光电流的振荡的频率(例如，使用在材料的表面上设置的电极)来检测光电流的振荡。在一些实施方式中，光电流的振荡横向于光的传播方向流过材料。材料被布置成使得光束不沿材料的对称轴传播。在另一实施方式中，光电流的振荡平行于光的传播方向流过材料。另外的适用领域根据本文中所提供的描述将变得明显。该概述中的描述和具体示例仅旨在出于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。附图说明本文中描述的附图仅出于对选择的实施方式而非所有可能的实现方式的说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。图1是使用单光子和双光子吸收的量子干涉控制过程的示意图；图2是示出用于确定频率梳的偏移频率的改进的方法的流程图；图3是用于确定由激发光束呈现的频率梳的偏移频率的系统的图；图4A至图4E是示出其中光电流垂直于光的传播方向流过材料的不同布置的图；图5是其中光电流平行于光的传播方向流过材料的布置的图；图6是用于说明所提出的用于确定频率梳的偏移频率的方法的实验设置的图，其中，DDS：直接数字合成器；DM：二色镜；EDFA：掺铒光纤放大器；f0为梳偏移频率；FM：折叠镜；HPF：高通滤波器；LA：锁定放大器；LPF：低通滤波器；PBS：偏振分束器；PD：光电二极管；SCG：超连续谱生成；SPF：短通滤波器；TS：平移台；以及YDFA：掺镱光纤放大器；图7A是示出仅由1040nm的光束、仅由1560nm的光束以及由未被阻挡的1560nm和1040nm的光束两者诱导的量子干涉控制电流的RF频谱的曲线图；以及图7B是示出当偏移频率从2kHz到60kHz变化时的频谱的曲线图。贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。具体实施方式现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。作为背景，可以使用注入光电流的量子干涉控制(QuIC)来确定频率梳的偏移频率。在该方法中，如图1中所看到的，同时由单光子和双光子吸收在半导体的导带中生成光载流子。这两个路径的量子干涉取决于电子的动量以及光的相对相位两者。净效应是动量空间中电子分布的相位依赖性失衡，这等效于相位依赖性光电流。即使没有偏置也存在光电流，因此光电流通过QuIC过程被直接注入。具体地，针对倍频程跨越脉冲的电流注入率为其中，Ef(E2f)为频率f(2f)处光的电场，以及φCE为脉冲的载波包络相位。对于具有演变式载波包络相位的脉冲列，电流将在相应梳的偏移频率处振荡。在本公开内容中，提出了测量梳偏移频率的新的双光子-三光子(2p-3p)自参考QuIC方案。该方案基于由双光子吸收过程和三光子吸收过程的量子干涉诱导的光电流。该方案的一个优点是，类似于光学2f-3f自参考，所需带宽减小。此外，与两个场的吸收长度由于2f处光的强的超越带隙单光子吸收而不匹配的单光子-双光子QuIC方案相比，在2p-3pQuIC中，f场和3/2f场两者的吸收长度均大于数十微米，这是因为两个光场的光子能量均低于带隙能。因此，单光子吸收受到极大地抑制，从而允许设计使用波导的集成装置。图2进一步示出了所提出的用于确定频率梳的偏移频率的方法。在21处生成光束，该光束具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形。在一个实施方式中，光束的波形由时域中的一系列光脉冲限定。脉冲的重复率优选地在10兆赫兹与10吉赫兹的范围内。注意，光束具有足够大的光学带宽，使得光束包括以第一频率传播的光以及以第二频率传播的光，其中，第一频率小于第二频率。一般而言，第二频率与第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+i，m为大于1的整数，以及n和i为正整数。在一个实施方式中，第二频率与第一频率之比可以是n∶m，其中，n＝m+1，m为大于1的整数，以及n为正整数。在另一实施方式中，第二频率与第一频率之比基本上为3∶2(或1.5)。例如，光束可以包括1040nm和1560nm的光。这些值仅是说明性的，而不旨在限制。在一般规则内可以设想其他比率。如22处所示，将光束指向(并入射到)样本。样本包括具有带隙的材料，并且带隙不大于第一频率的n倍。更具体地，材料的带隙优选地大于第一频率的两倍但小于第一频率的三倍。在第一频率对应于波长为1040nm的光的情况下，样本可以包括带隙为1.912eV(648.4nm)的砷化铝镓。即，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定频率梳的偏移频率的方法，包括：/n生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，所述光束具有光学带宽，所述光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，其中，所述第一频率小于所述第二频率，并且所述第二频率与所述第一频率之比为3∶2；/n将所述光束指向材料上的入射点，其中，所述材料具有带隙并且所述带隙不大于所述第一频率的三倍；以及/n检测由所述光束引起的所述材料中的光电流的振荡。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170512 US 62/505,2851.一种用于确定频率梳的偏移频率的方法，包括：
生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，所述光束具有光学带宽，所述光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，其中，所述第一频率小于所述第二频率，并且所述第二频率与所述第一频率之比为3∶2；
将所述光束指向材料上的入射点，其中，所述材料具有带隙并且所述带隙不大于所述第一频率的三倍；以及
检测由所述光束引起的所述材料中的光电流的振荡。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。


3.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用锁模激光器生成第一光束。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束的重复率在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料具有大于所述第一频率的两倍但小于所述第一频率的三倍的带隙。


7.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过测量光电流的振荡的频率来检测所述光电流的振荡。


8.根据权利要求7所述的方法，还包括：使用在所述材料的表面上设置的电极来检测所述光电流的振荡。


9.根据权利要求1所述的方法，还包括：检测横向于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。


10.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述光电流的振荡还进行以下操作：布置所述材料，使得所述光束不沿所述材料的对称轴传播。


11.根据权利要求10所述的方法，还包括：检测平行于光的传播方向流过所述材料的光电流的振荡。


12.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，放大所述光束中所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。


13.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述光束入射到所述材料上之前，从所述光束中滤除所述第一频率的光和所述第二频率的光中的至少之一。


14.一种用于确定频率梳的偏移频率的方法，包括：
生成具有在时域中有规律地重复并且在频域中呈现频率梳的波形的光束，其中，所述光束具有光学带宽，所述光学带宽包括以第一频率传播的光和以第二频率传播的光，使得所述第一频率小于所述第二频率，并且所述第二频率与所述第一频率之比为n∶m，其中，n＝m+1，m为大于1的整数，并且n为正整数；
将所述光束指向材料上的入射点，其中，所述材料具有带隙并且所述带隙不大于所述第一频率的n倍；以及
检测由所述光束引起的所述材料中的光电流的振荡。


15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束的波形在时域中由一系列光脉冲限定。


16.根据权利要求14所述的方法，还包括：使用锁模激光器生成第一光束。


17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束的重复率在10兆赫兹至10吉赫兹的范围内。


18.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述材料进一步限定为半导体或绝缘体之一。


19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述材料具有大于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·T·坎迪夫，约翰·希佩，王凯，罗德里戈·穆尼兹，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US