光學頻率梳（OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關係的頻率分量組成的光譜。隨著光通信技術的飛速發展，OFC由於其在光學任意波形產生、多波長超短脈衝產生和密集波分復用等領域的廣泛套用吸引了越來越多學者的關注。
基本介紹
- 中文名：光學頻率梳
- 外文名：OFC
- 優點：結構緊湊價格合理易維護
- 誕生國家：美國
簡介,飛秒光學頻率梳誕生,飛秒光學頻率梳的優點,生活實際套用,研發背景,套用價值,解決問題,
簡介
光學頻率梳（OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關係的頻率分量組成的光譜。隨著光通信技術的飛速發展，OFC由於其在光學任意波形產生、多波長超短脈衝產生和密集波分復用等領域的廣泛套用吸引了越來越多學者的關注。
飛秒光學頻率梳誕生
光學頻率梳已經成為繼超短脈衝雷射問世之後雷射技術領域又一重大突破。在該領域內，開展開創性工作的兩位科學家J. Hall和T. W. H?nsch於2005年獲得了諾貝爾獎。原理上，光學頻率梳在頻域上表現為具有相等頻率間隔的光學頻率序列，在時域上表現為具有飛秒量級時間寬度的電磁場振盪包絡，其光學頻率序列的頻譜寬度與電磁場振盪慢變包絡的時間寬度滿足傅立葉變換關係。超短脈衝的這種在時域和頻域上的分布特性就好似我們日常所用的梳子，形象化的稱之光學波段的頻率梳，簡稱"光梳"。光梳相當於一個光學頻率綜合發生器，是迄今為止最有效的進行絕對光學頻率測量的工具，可將銫原子微波頻標與光頻標準確而簡單的聯繫起來，為發展高解析度、高精度、高準確性的頻率標準提供了載體，也為精密光譜、天文物理、量子操控等科學研究方向提供了較為理想的研究工具，逐漸被人們運用於光學頻率精密測量、原子離子躍遷能級的測量、遠程信號時鐘同步與衛星導航等領域中。
獲得光梳的關鍵首先是實現穩定的超短脈衝輸出，其次是實現對該超短脈衝序列在時域及頻域的精密控制，即對超短脈衝的載波包絡相位和雷射脈衝重複頻率的控制。早期的光梳光源都是基於傳統的鈦寶石飛秒雷射器構建而成。美國天體物理聯合實驗室J. Hall教授等人首次利用自參考f-2f技術實現了載波包絡相位穩定的鈦寶石鎖模雷射器，這標誌著飛秒光學頻率梳的誕生。
飛秒光學頻率梳的優點
光纖雷射器具有優異的穩定性、結構緊湊、價格合理，且易於維護，解決了超短脈衝在用戶層面的窘境。光纖雷射器作為第三代雷射技術的代表，在科學研究及工業加工等套用領域具有諸多明顯優勢：光纖波導製造成本低；光纖的柔性及可纏繞性有利於實現雷射器的小型化和模組化；光纖無需雷射晶體那樣嚴格的模式匹配或相位匹配；光纖雷射器內部僅有較少或者幾乎沒有光學鏡片，穩定性極佳；光纖雷射器全封閉的光路結構能勝任惡劣的工作環境，對衝擊震盪、濕度溫度、灰塵顆粒具有較高的容忍度；此外，光纖雷射器具有較高的電光效率，電光效率可達20%以上，顯著節約了雷射器的運行成本。
光纖的另一主要優勢就是，通過選用各種摻雜的有源光纖和不同色散量及模場直徑傳輸光纖，光纖光源可以實現相比鈦寶石光源更寬光譜範圍的雷射輸出，如1030nm波段的摻鐿光纖雷射非線性展寬後可覆蓋600-1400nm，1560nm波段的摻鉺光纖雷射非線性展寬後可覆蓋1000-2200nm，2.0μm波段的摻銩光纖雷射非線性展寬後可覆蓋1350-2700nm。
超短脈衝光纖雷射器及光纖光梳的產品化是光纖雷射技術發展的源動力。國外早在1990年就開始了超短脈衝光纖雷射器產品化的探索工作，並湧現出如IMRA、Calmar、Fiannium、Menlosystems、Toptica等著名公司。近年，在我國政府的引導下，科研領域的成果加速了成果轉化，一些高科技含量的超短脈衝光纖雷射技術公司及產品陸續湧現，如上海朗研光電科技有限公司780nm、1064nm、1550nm等系列波長的超短脈衝雷射器。
生活實際套用
研發背景
人類線上發布的數據正在呈指數級增長，業界專家一直擔心“光纖容量終將消耗殆盡”。雖然在全球某些地區網速連線還是很慢，但最終“骨幹網際網路”仍有可能達到某個傳輸速度的極限。
套用價值
加利福尼亞州立大學的工程師們消除了上述疑慮，利用“頻率梳”裝置，他們通過光纖電纜傳播破譯信息的距離超過1.2萬公里，且無需生成新信號。這意味著其信號強度比傳統光纜處理信號的能力要強上20倍。
解決問題
長距離傳送信息需要藉助一種被稱作“中繼站”的裝置，將數據轉換成電信號。這雖然降低了系統的運行速度，限制了傳輸信息的體量，但是很有必要，因為光信號無法自行處理大量難以辨認的信息。研究團隊首席研究員尼古拉·埃里克比喻說：“現在的光纖系統有點像流沙，你越掙扎，下沉得越快。光纖處理信號的能力到達某一極限後，越往裡添加信息，結果失真就越嚴重。”
為了避免信號失真，研究團隊首先針對不同光纖電纜通道之間的相互作用進行細緻研究。“光纖電纜內部產生的失真遵循一定的物理學定律，並不是隨機產生的。”埃里克說，這意味著他們能夠學會預測這種失真。
埃里克將他們創建的“頻率梳”裝置比作在演出前指揮對管弦樂隊進行調音：使用“頻率梳”同步信號的起點，研究團隊可以確保能夠在不失真情況下，破譯從1.2萬公里外傳輸過來的信號。
研究人員工作重點是將這些“頻率梳”套用到已有的光纖電纜中，一經套用，不僅能大大提高光纖電纜的傳輸效率，還能消除對網際網路的速度限制，最重要的是它能大規模降低相關成本。
