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。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

昊量光電代理的Menhir-1550是1550nm波段GHz重復頻率下相位噪聲最低的激光器。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最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2Menhir-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

f-2f自參考技術是光學頻率梳實現絕對頻率穩定的關鍵方法之一。這種技術依賴于將頻率梳的頻率擴展到兩倍頻率范圍內，然后進行自參照。首先，光學頻率梳產生的脈沖通過非線性介質（如光子晶體光纖），將頻譜展寬到包含頻率f-2f的范圍。通過非線性效應，特別是二次諧波產生（Second Harmonic Generation, SHG），可以將某一頻率f倍增至2f。然后，將原始頻譜中的頻率f與展寬后的頻譜中的頻率2f進行比較。通過干涉和相位檢測，可以測量兩者之間的相位差。這種相位差包含了載波包絡相位（CEP）漂移的信息。通過反饋控制系統，將相位差信息反饋給鎖模激光器的控制電路，調節激光器的腔長和其他參數，從而穩定光學頻率梳的CEP。這確保了頻率梳的每個梳齒位置的高度穩定性和精確性。鎖相環可以通過將光學頻率梳的輸出與一個高穩定度的參考頻率進行相位比較，并反饋調節激光器的腔長和泵浦功率，可以實現頻率梳的高穩定性。

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，并具有卓越的動態范圍、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，光學頻率梳可實現極高精度的時間和頻率標準。這在全球定位系統（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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