光学频率梳：光学测量与通信的革命性工具

光学频率梳（Optical Frequency Comb,OFC）是一种能够产生一系列等间隔光频的激光光源，类似于梳子的齿状结构，因此得名。

图1 光学频率梳在时域与频域的示意图

2005年，约翰·霍尔（John L. Hall）和西奥多·亨施（Theodor W. Hänsch）因在光学频率梳技术方面的突破性贡献而获得诺贝尔物理学奖。霍尔和亨施的工作主要集中在精确测量和控制光频率方面。他们通过开发稳定的飞秒激光技术和精密频率控制方法，使得光学频率梳成为可能，从而大幅度提高了频率测量的精度。这项技术极大地推动了精密光谱学、时间和频率标准、光通信等领域的发展。本文将介绍光学频率梳的原理、技术实现及其应用。

光学频率梳的工作原理

光学频率梳的构建依赖于超短脉冲激光器。通过锁模技术（mode-locking），激光器可以产生一系列等间隔的短脉冲。每个脉冲在频域上对应一个离散的频率分量，这些频率分量形成了频率梳状结构。锁模技术是产生超短脉冲的核心机制。在锁模激光器中，通过精确控制激光腔内的相位关系，使得多个纵模相干叠加，从而形成稳定的脉冲序列。

光学频率梳的频率间隔由激光脉冲的重复频率决定。重复频率是脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔的倒数(1/Trep)，通过调整激光器的腔长可以精确控制重复频率。载波包络相位是决定光学频率梳绝对频率位置的关键参数。我们可以通过控制，可以精确锁定光学频率梳的梳齿位置，从而实现高精度的频率测量。光频梳的输出光在时域上是一系列等间隔的脉冲序列,在频率域上则是由许多个等间距的频率成分组合而成,其每个梳齿的频率,即光频梳中不同的频率成分等于

其中,N为光频梳相应梳齿的序数,fN代表第N根频率梳齿，frep为重复频率，fceo为载波包络偏移频率。因此,想获得稳定的光学频率梳,必须先构建相应的光学系统获取到frep及fceo两个信号,并利用锁相技术分别将这两个信号锁定到稳定的参考频率源上。在基于锁模光纤激光器的光频梳中，frep通常在百MHz量级，有些工作中能达到GHz。然而，fceo与光的载波相位有关，目前光电探测器无法实现光相位的检测。针对fceo的测量一个较为理想且成熟的方法是自参考f-2f技术。

锁模激光器是光学频率梳的基础。在20世纪，钛蓝宝石（Ti）激光器是一种常用的锁模激光器，具有宽广的增益带宽，能够产生飞秒（10^-15秒）级的超短脉冲。通过Kerr透镜锁模（Kerr Lens Mode-Locking, KLM）技术，可以实现稳定的锁模操作，产生宽带的光学频率梳。掺铒光纤激光器（Erbium-Doped Fiber Lasers）是一种基于掺铒光纤放大的锁模激光器，通常工作在1.55微米的波长范围，适用于光通信领域。利用非线性偏振旋转或饱和吸收体实现锁模操作，能够产生稳定的超短脉冲序列。

Menhir高重频飞秒激光器

昊量光电代理的Menhir-1550是1550nm波段GHz重复频率下相位噪声最低的激光器。Menhir Photonics飞秒激光源基于强大且精心设计的设计，具有出色的可靠性，具有市场上孤子模型锁定时最低的相位噪声和定时抖动。连续24/7运行，用户友好和自启动，Menhir-1550系列旨在促进OEM集成并满足特定客户的需求。

图2Menhir-1550激光器

图3 光学频率梳在时域与频域的示意图

而非线性介质在扩展频率梳的光谱范围方面起着关键作用。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）是一种具有特殊结构的光纤，通过调节光纤内部的微结构，可以实现高效的非线性效应。在超短脉冲激光通过光子晶体光纤时，非线性效应会使脉冲展宽，从而产生宽带的超连续谱，覆盖从可见光到近红外的广泛波长范围。除了光子晶体光纤，其他非线性材料如铌酸锂（LiNbO3）、铌酸钾（KTP）等也可以用于展宽脉冲光谱，增强光学频率梳的频谱覆盖范围。

载波包络偏频频率测量模块（COSMO）

昊量光电新推出封装的载波包络偏移频率测量模块，可用于fceo的测量。该模块基于f-2f自参考原理，采用纳米光子波导技术紧密束缚光线，实现了低脉冲能量下的fceo测量。模块支持标准光纤连接，并通过SMA接口直接输出测得的fceo信号。

图4 载波包络偏移频率测量模块

载波包络偏移频率测量模块主要参数

如图5，从1560nm激光产生780 nm时，在低脉冲能量(15 pJ)时，光谱相对较窄。当脉冲能量高于140 pJ时，产生的宽带光峰值在780 nm处，而这为激光频率梳的fceo检测打下了基础。

图5 超连续谱生成示例

f-2f自参考技术是光学频率梳实现绝对频率稳定的关键方法之一。这种技术依赖于将频率梳的频率扩展到两倍频率范围内，然后进行自参照。首先，光学频率梳产生的脉冲通过非线性介质（如光子晶体光纤），将频谱展宽到包含频率f-2f的范围。通过非线性效应，特别是二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG），可以将某一频率f倍增至2f。然后，将原始频谱中的频率f与展宽后的频谱中的频率2f进行比较。通过干涉和相位检测，可以测量两者之间的相位差。这种相位差包含了载波包络相位（CEP）漂移的信息。通过反馈控制系统，将相位差信息反馈给锁模激光器的控制电路，调节激光器的腔长和其他参数，从而稳定光学频率梳的CEP。这确保了频率梳的每个梳齿位置的高度稳定性和精确性。锁相环可以通过将光学频率梳的输出与一个高稳定度的参考频率进行相位比较，并反馈调节激光器的腔长和泵浦功率，可以实现频率梳的高稳定性。

Moku锁相放大器/相位计

昊量光电代理的Moku相位计由研究人员专为高要求的测量应用而设计，经过优化，可提供精确的相位测量。它采用数字锁相环架构，能够以优于1纳弧度的精度测量相位、频率和幅度，并具有卓越的动态范围、零死区时间和超越传统锁相放大器和频率计数器性能的测量精度。

图6 具备锁相环功能的Moku:Pro

图7 相位表功能

综上所述，光学频率梳提供了高度准确和分辨率的频率标尺，使得精密光谱测量成为可能。在化学分析、环境监测等领域有广泛应用。通过与原子钟的结合，光学频率梳可实现极高精度的时间和频率标准。这在全球定位系统（GPS）、通讯同步等方面具有重要意义。光学频率梳在高速光通信中用于多载波生成，提高了数据传输速率和频谱利用率。在量子计算和量子通信中，光学频率梳可以作为多通道量子态的光源，实现并行量子信息处理。作为一种革命性的光学工具，已经在科学研究和工程应用中展示了其巨大潜力和广泛应用。随着技术的不断进步，光学频率梳有望在未来发挥更重要的作用，推动各个领域的发展和创新。如果您对光频梳系统及其组成部件感兴趣，欢迎与我们交流。

参考文献

[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, Antolović 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.

李师群.2005年诺贝尔物理学奖——光学再次被关注聚焦[J].物理与工程,2006,(01):1-7.