光學頻率梳：光學測量與通信的革命性工具

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

圖1 光學頻率梳在時域與頻域的示意圖

2005年，約翰·霍爾（John L. Hall）和西奧多·亨施（Theodor W. H?nsch）因在光學頻率梳技術方面的突破性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎?；魻柡秃嗍┑墓ぷ髦饕性诰_測量和控制光頻率方面。他們通過開發穩定的飛秒激光技術和精密頻率控制方法，使得光學頻率梳成為可能，從而大幅度提高了頻率測量的精度。這項技術極大地推動了精密光譜學、時間和頻率標準、光通信等領域的發展。本文將介紹光學頻率梳的原理、技術實現及其應用。

光學頻率梳的工作原理

光學頻率梳的構建依賴于超短脈沖激光器。通過鎖模技術（mode-locking），激光器可以產生一系列等間隔的短脈沖。每個脈沖在頻域上對應一個離散的頻率分量，這些頻率分量形成了頻率梳狀結構。鎖模技術是產生超短脈沖的核心機制。在鎖模激光器中，通過精確控制激光腔內的相位關系，使得多個縱模相干疊加，從而形成穩定的脈沖序列。

光學頻率梳的頻率間隔由激光脈沖的重復頻率決定。重復頻率是脈沖序列中相鄰脈沖的時間間隔的倒數(1/Trep)，通過調整激光器的腔長可以精確控制重復頻率。載波包絡相位是決定光學頻率梳絕對頻率位置的關鍵參數。我們可以通過控制，可以精確鎖定光學頻率梳的梳齒位置，從而實現高精度的頻率測量。光頻梳的輸出光在時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等間距的頻率成分組合而成,其每個梳齒的頻率,即光頻梳中不同的頻率成分等于

其中,N為光頻梳相應梳齒的序數,fN代表第N根頻率梳齒，frep為重復頻率，fceo為載波包絡偏移頻率。因此,想獲得穩定的光學頻率梳,必須先構建相應的光學系統獲取到frep及fceo兩個信號,并利用鎖相技術分別將這兩個信號鎖定到穩定的參考頻率源上。在基于鎖模光纖激光器的光頻梳中，frep通常在百MHz量級，有些工作中能達到GHz。然而，fceo與光的載波相位有關，目前光電探測器無法實現光相位的檢測。針對fceo的測量一個較為理想且成熟的方法是自參考f-2f技術。

鎖模激光器是光學頻率梳的基礎。在20世紀，鈦藍寶石（Ti）激光器是一種常用的鎖模激光器，具有寬廣的增益帶寬，能夠產生飛秒（10^-15秒）級的超短脈沖。通過Kerr透鏡鎖模（Kerr Lens Mode-Locking, KLM）技術，可以實現穩定的鎖模操作，產生寬帶的光學頻率梳。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，適用于光通信領域。利用非線性偏振旋轉或飽和吸收體實現鎖模操作，能夠產生穩定的超短脈沖序列。

Menhir高重頻飛秒激光器

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

圖2 Menhir-1550激光器

圖3 光學頻率梳在時域與頻域的示意圖

而非線性介質在擴展頻率梳的光譜范圍方面起著關鍵作用。光子晶體光纖（photonic crystal Fiber, PCF）是一種具有特殊結構的光纖，通過調節光纖內部的微結構，可以實現高效的非線性效應。在超短脈沖激光通過光子晶體光纖時，非線性效應會使脈沖展寬，從而產生寬帶的超連續譜，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，增強光學頻率梳的頻譜覆蓋范圍。

載波包絡偏頻頻率測量模塊（COSMO）

昊量光電新推出封裝的載波包絡偏移頻率測量模塊，可用于fceo的測量。該模塊基于f-2f自參考原理，采用納米光子波導技術緊密束縛光線，實現了低脈沖能量下的fceo測量。模塊支持標準光纖連接，并通過SMA接口直接輸出測得的fceo信號。

圖4 載波包絡偏移頻率測量模塊

載波包絡偏移頻率測量模塊主要參數

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

圖5 超連續譜生成示例

Moku鎖相放大器/相位計

昊量光電代理的Moku相位計由研究人員專為高要求的測量應用而設計，經過優化，可提供精確的相位測量。它采用數字鎖相環架構，能夠以優于1納弧度的精度測量相位、頻率和幅度，并具有動態范圍、零死區時間和超越傳統鎖相放大器和頻率計數器性能的測量精度。

圖6 具備鎖相環功能的Moku:Pro

圖7 相位表功能

綜上所述，光學頻率梳提供了高度準確和分辨率的頻率標尺，使得精密光譜測量成為可能。在化學分析、環境監測等領域有廣泛應用。通過與原子鐘的結合，光學頻率梳可實現高精度的時間和頻率標準。這在全qiu定位系統（GPS）、通訊同步等方面具有重要意義。光學頻率梳在高速光通信中用于多載波生成，提高了數據傳輸速率和頻譜利用率。在量子計算和量子通信中，光學頻率梳可以作為多通道量子態的光源，實現并行量子信息處理。作為一種革命性的光學工具，已經在科學研究和工程應用中展示了其巨大潛力和廣泛應用。隨著技術的不斷進步，光學頻率梳有望在未來發揮更重要的作用，推動各個領域的發展和創新。如果您對光頻梳系統及其組成部件感興趣，歡迎與我們交流。

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上海昊量光電設備有限公司是光電產品專業代理商，產品包括各類激光器、光電調制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發，軟件開發，系統集成等服務。

相關文獻：

[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年諾貝爾物理學獎——光學再次被關注聚焦[J].物理與工程,2006,(01):1-7.