電光調製光頻梳是什麼?

2021-01-19 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

封面圖：光頻梳

圖片來源： Image courtesy of Second Bay Studios/Harvard SEAS

撰稿 | 戴茂林

光學頻率梳是指在頻譜上由一系列均勻間隔的頻率分量組成的光譜，這種光譜可以由鎖模雷射器，諧振腔或電光調製器等方式產生。其中由電光調製器產生的光頻梳擁有高重複頻率、內在互相干以及較高功率等特點，其在基礎物理、光譜學或儀器校準中應用廣泛，近年來引起越來越多研究人員的興趣。

近日，法國勃根第大學的Alexandre Parriaux等人在Advances in Optics and Photonics 期刊上發表綜述論文，系統介紹了電光調製產生光頻梳的最新研究進展以及應用：包括光頻梳的介紹，電光調製產生光頻梳的方法以及特點，最後詳細的列舉了電光調製光頻梳的應用場景，包括精密光譜、雙光梳幹涉、儀器校準和任意波形發生等方面的應用，討論了不同應用其背後的原理。最後，作者給出了對電光調製光頻梳技術的展望。

01

背景

在60年前的5月份，Maiman博士發明了第一臺紅寶石雷射器。四年之後，美國貝爾實驗室的哈格羅夫、福克和波拉克率先報導了在氦氖雷射器中實現的主動鎖模，這種鎖模雷射在的光譜在時域上表現為脈衝發射，在頻域上則是表現出一系列離散且等距的短線，很類似我們日常使用的梳子，於是我們把這種光譜稱之為「光學頻率梳」，簡稱「光頻梳」。

在光頻梳中，每一根梳齒的頻率表達式為

，其中

是光梳縱模相對於零點頻率的偏移量，n是整數，

是光梳縱模的頻率間隔，即重複頻率。由於光頻梳的良好應用前景，2005年的諾貝爾物理學獎頒給了對光頻梳技術作出開創性工作的Hänsch 和Hall，從此，光頻梳的發展到了一個嶄新的階段。由於不同的應用對光頻梳有著不同的要求，比如功率、線間距和中心波長等，這就催生了需要使用不同的實驗手段來產生光頻梳，比如鎖模雷射、微型諧振腔和電光調製器。

圖1 光頻梳的時域譜圖和頻域譜圖

圖源：Electro-optic frequency combs

自從光頻梳被發現以來，大部分光頻梳的產生還是利用鎖模雷射器。在鎖模雷射器中，利用一個往返時間為τ的空腔來固定縱模之間的相位關係，從而來確定雷射的重複頻率，一般能從兆赫茲（MHz）到千兆赫茲（GHz）。

而微型諧振腔產生光頻梳是基於非線性效應的，往返時間是由微腔的長度決定的，由於微腔的長度一般小於1mm，由微腔產生的光頻梳重複頻率一般是10 千兆赫茲 到 1 太赫茲。常見的微腔有三種，微管、微球和微環。利用光纖中的非線性效應，如布裡淵散射或者四波混頻，與微腔結合，也可以產生幾十納米範圍的光頻梳。此外，利用一些聲光調製器，也可以產生光頻梳。

02

電光調製及電光調製光頻梳

電光效應指的是，在外加電場的情況下，材料的折射率發生改變的效應。電光效應主要有兩種，一種是一次電光效應，也稱波克爾斯效應，指的是材料折射率隨著外加電場呈線性變化關係。另一種是二次電光效應，也稱克爾效應，此時材料折射率的變化與電場的平方成正比。大多數電光調製器是基于波克爾斯效應的。利用電光調製器，我們能對入射光的相位進行調製，在相位調製的基礎上，通過一定的轉換，也可以對光的強度或者偏振進行調製。

通過電光調製器來產生光頻梳，有幾種不同的經典結構，如圖2所示，(a)(b)(c)都是單調製器結構，結構簡單，但是產生的光頻梳線寬收到電光帶寬的限制。如果需要產生高重複頻率的光頻梳，就需要兩個或多個調製器級聯，如圖2(d)(e)所示。最後一種產生光頻梳的結構叫做電光諧振腔，是將電光調製器放置在諧振腔內，或這個諧振腔本身就能產生電光效應，如圖3所示。

圖2 幾種基於電光調製器來產生光頻梳的實驗裝置圖

圖源：Electro-optic frequency combs

圖3 幾種電光腔的結構

圖源：Electro-optic frequency combs

03

電光調製光頻梳特點

優點一

可調諧性

由於光源是可調諧寬譜雷射，並且電光調製器也有一定的工作頻率帶寬，所以電光調製光頻梳也是頻率可調諧的。除了頻率可調，由於調製器的波形產生是可調的，所以由此產生的光頻梳的重複頻率也是可調的。這是鎖模雷射器和微型諧振腔產生的光頻梳所不具有的優勢。

優點二

重複頻率

重複頻率不只是靈活可調，而且不需要改動實驗裝置就能實現。電光調製光頻梳的線寬大致相當於調製帶寬，一般商用的電光調製器帶寬為40GHz，電光調製光頻梳重複頻率能超過除了微型諧振腔（能達到100GHz）外其他所有方法產生的光頻梳帶寬。

優點三

光譜整形

與其他途徑產生的光梳相比，電光調製光頻梳的光碟形狀由多個自由度來決定，比如射頻信號、偏置電壓、入射偏振等，可以用這些自由度來控制不同梳齒的強度，使其達到光譜整形的目的。

04

電光調製光頻梳的應用

電光調製光頻梳在實際應用時，可分為單梳光譜和雙梳光譜。單梳光譜的線間距很窄，所以能夠達到很高的精度。同時，相比於鎖模雷射器產生的光頻梳，電光調製光頻梳的裝置體積很小，並且可調諧性更好。而雙梳光譜儀是由兩束重複頻率略有不同的相干單光梳幹涉而產生的，這個重複頻率之差就是新的幹涉光頻梳譜的線間距。光頻梳技術，能夠在光學成像、測距、測厚、儀器校準、任意波形光譜整形、射頻光子學、遠程通信、光學隱身等等方面大有可為。

圖4 光學頻率梳的應用場景：以測量高速子彈輪廓為例

圖源：Christian Grupe, Philipp Trocha, KIT

05

總結展望

但是對於電光調製光頻梳而言，未來工作應重點放在提高電光調製器帶寬，從而獲得更好的線間距和更短的脈衝，我們或許可以從電光調製材料或者一些其他的新技術入手。同時，我們也可以更多的拓展新的應用領域，將光頻梳的應用潛力充分發揮出來。

文章信息：

相關成果以「 Electro-optic frequency combs 」為題發表在 Advances in Optics and Photonics 。

論文地址：

https://doi.org/10.1364/AOP.382052

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原標題：《電光調製光頻梳》

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