光學(xué)頻率梳：光學(xué)測量與通信的革命性工具

光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb,OFC）是一種能夠產(chǎn)生一系列等間隔光頻的激光光源，類似于梳子的齒狀結(jié)構(gòu)，因此得名。

圖1 光學(xué)頻率梳在時(shí)域與頻域的示意圖

2005年，約翰·霍爾（John L. Hall）和西奧多·亨施（Theodor W. H?nsch）因在光學(xué)頻率梳技術(shù)方面的突破性貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。霍爾和亨施的工作主要集中在精確測量和控制光頻率方面。他們通過開發(fā)穩(wěn)定的飛秒激光技術(shù)和精密頻率控制方法，使得光學(xué)頻率梳成為可能，從而大幅度提高了頻率測量的精度。這項(xiàng)技術(shù)極大地推動(dòng)了精密光譜學(xué)、時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)、光通信等領(lǐng)域的發(fā)展。本文將介紹光學(xué)頻率梳的原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用。

光學(xué)頻率梳的工作原理

光學(xué)頻率梳的構(gòu)建依賴于超短脈沖激光器。通過鎖模技術(shù)（mode-locking），激光器可以產(chǎn)生一系列等間隔的短脈沖。每個(gè)脈沖在頻域上對(duì)應(yīng)一個(gè)離散的頻率分量，這些頻率分量形成了頻率梳狀結(jié)構(gòu)。鎖模技術(shù)是產(chǎn)生超短脈沖的核心機(jī)制。在鎖模激光器中，通過精確控制激光腔內(nèi)的相位關(guān)系，使得多個(gè)縱模相干疊加，從而形成穩(wěn)定的脈沖序列。

光學(xué)頻率梳的頻率間隔由激光脈沖的重復(fù)頻率決定。重復(fù)頻率是脈沖序列中相鄰脈沖的時(shí)間間隔的倒數(shù)(1/Trep)，通過調(diào)整激光器的腔長可以精確控制重復(fù)頻率。載波包絡(luò)相位是決定光學(xué)頻率梳絕對(duì)頻率位置的關(guān)鍵參數(shù)。我們可以通過控制，可以精確鎖定光學(xué)頻率梳的梳齒位置，從而實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量。光頻梳的輸出光在時(shí)域上是一系列等間隔的脈沖序列,在頻率域上則是由許多個(gè)等間距的頻率成分組合而成,其每個(gè)梳齒的頻率,即光頻梳中不同的頻率成分等于

其中,N為光頻梳相應(yīng)梳齒的序數(shù),fN代表第N根頻率梳齒，frep為重復(fù)頻率，fceo為載波包絡(luò)偏移頻率。因此,想獲得穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳,必須先構(gòu)建相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)獲取到frep及fceo兩個(gè)信號(hào),并利用鎖相技術(shù)分別將這兩個(gè)信號(hào)鎖定到穩(wěn)定的參考頻率源上。在基于鎖模光纖激光器的光頻梳中，frep通常在百M(fèi)Hz量級(jí)，有些工作中能達(dá)到GHz。然而，fceo與光的載波相位有關(guān)，目前光電探測器無法實(shí)現(xiàn)光相位的檢測。針對(duì)fceo的測量一個(gè)較為理想且成熟的方法是自參考f-2f技術(shù)。

鎖模激光器是光學(xué)頻率梳的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)，鈦藍(lán)寶石（Ti）激光器是一種常用的鎖模激光器，具有寬廣的增益帶寬，能夠產(chǎn)生飛秒（10^-15秒）級(jí)的超短脈沖。通過Kerr透鏡鎖模（Kerr Lens Mode-Locking, KLM）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模操作，產(chǎn)生寬帶的光學(xué)頻率梳。摻鉺光纖激光器（Erbium-Doped Fiber Lasers）是一種基于摻鉺光纖放大的鎖模激光器，通常工作在1.55微米的波長范圍，適用于光通信領(lǐng)域。利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)或飽和吸收體實(shí)現(xiàn)鎖模操作，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的超短脈沖序列。

Menhir高重頻飛秒激光器

Menhir-1550是1550nm波段GHz重復(fù)頻率下相位噪聲z低的激光器。Menhir Photonics飛秒激光源基于強(qiáng)大且精心設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，具有出色的可靠性，具有市場上孤子模型鎖定時(shí)z低的相位噪聲和定時(shí)抖動(dòng)。連續(xù)24/7運(yùn)行，用戶友好和自啟動(dòng)，Menhir -1550系列旨在促進(jìn)OEM集成并滿足特定客戶的需求。

圖2 Menhir-1550激光器

圖3 光學(xué)頻率梳在時(shí)域與頻域的示意圖

而非線性介質(zhì)在擴(kuò)展頻率梳的光譜范圍方面起著關(guān)鍵作用。光子晶體光纖（photonic crystal Fiber, PCF）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖，通過調(diào)節(jié)光纖內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高效的非線性效應(yīng)。在超短脈沖激光通過光子晶體光纖時(shí)，非線性效應(yīng)會(huì)使脈沖展寬，從而產(chǎn)生寬帶的超連續(xù)譜，覆蓋從可見光到近紅外的廣泛波長范圍。除了光子晶體光纖，其他非線性材料如鈮酸鋰（LiNbO3）、鈮酸鉀（KTP）等也可以用于展寬脈沖光譜，增強(qiáng)光學(xué)頻率梳的頻譜覆蓋范圍。

載波包絡(luò)偏頻頻率測量模塊（COSMO）

昊量光電新推出封裝的載波包絡(luò)偏移頻率測量模塊，可用于fceo的測量。該模塊基于f-2f自參考原理，采用納米光子波導(dǎo)技術(shù)緊密束縛光線，實(shí)現(xiàn)了低脈沖能量下的fceo測量。模塊支持標(biāo)準(zhǔn)光纖連接，并通過SMA接口直接輸出測得的fceo信號(hào)。

圖4 載波包絡(luò)偏移頻率測量模塊

載波包絡(luò)偏移頻率測量模塊主要參數(shù)

如圖5，從1560nm激光產(chǎn)生780 nm時(shí)，在低脈沖能量(15 pJ)時(shí)，光譜相對(duì)較窄。當(dāng)脈沖能量高于140 pJ時(shí)，產(chǎn)生的寬帶光峰值在780 nm處，而這為激光頻率梳的fceo檢測打下了基礎(chǔ)。

圖5 超連續(xù)譜生成示例

Moku鎖相放大器/相位計(jì)

昊量光電代理的Moku相位計(jì)由研究人員專為高要求的測量應(yīng)用而設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化，可提供精確的相位測量。它采用數(shù)字鎖相環(huán)架構(gòu)，能夠以優(yōu)于1納弧度的精度測量相位、頻率和幅度，并具有動(dòng)態(tài)范圍、零死區(qū)時(shí)間和超越傳統(tǒng)鎖相放大器和頻率計(jì)數(shù)器性能的測量精度。

圖6 具備鎖相環(huán)功能的Moku:Pro

圖7 相位表功能

綜上所述，光學(xué)頻率梳提供了高度準(zhǔn)確和分辨率的頻率標(biāo)尺，使得精密光譜測量成為可能。在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。通過與原子鐘的結(jié)合，光學(xué)頻率梳可實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)。這在全qiu定位系統(tǒng)（GPS）、通訊同步等方面具有重要意義。光學(xué)頻率梳在高速光通信中用于多載波生成，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率。在量子計(jì)算和量子通信中，光學(xué)頻率梳可以作為多通道量子態(tài)的光源，實(shí)現(xiàn)并行量子信息處理。作為一種革命性的光學(xué)工具，已經(jīng)在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中展示了其巨大潛力和廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)頻率梳有望在未來發(fā)揮更重要的作用，推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。如果您對(duì)光頻梳系統(tǒng)及其組成部件感興趣，歡迎與我們交流。

更多詳情請(qǐng)聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。

相關(guān)文獻(xiàn)：

[1] Buchholz J. Evaluation of single photon avalanche diode arrays for imaging fluorescence correlation spectroscopy: FPGA-based data readout and fast correlation analysis on CPUs, GPUs and FPGAs[D]. , 2016.

[2] Ulku A C, Bruschini C, Antolovi? I M, et al. A 512× 512 SPAD image sensor with integrated gating for widefield FLIM[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 25(1): 1-12.

[3] Tanuwijaya R S, Liang H, Xi J, et al. Metasurface for programmable quantum algorithms with quantum and classical light[J]. arXiv preprint arXiv:2307.07985, 2023.

[4] Liang H, Ahmed H, Tam W Y, et al. Continuous heralding control of vortex beams using quantum metasurface[J]. Communications Physics, 2023, 6(1): 140.

[5] Ankri R, Harel M, Arbiv U. Time-gated fluorescence lifetime Imaging in the Near infrared Regime; A Comprehensive Study Toward In Vivo Imaging[J]. bioRxiv, 2023: 2023.05. 21.541614.

[6] Chacko N, Motiei M, Suryakant J S, et al. Au nanodyes as enhanced contrast agents in wide field near infrared fluorescence lifetime imaging[J]. Discover Nano, 2024, 19(1): 1-14.

[7] 李師群.2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——光學(xué)再次被關(guān)注聚焦[J].物理與工程,2006,(01):1-7.