频率梳

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光学频率梳(OFC)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。随着光通信技术的飞速发展,OFC由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注 [1] 
中文名
光学频率梳
外文名
OFC
优    点
结构紧凑价格合理易维护
诞生国家
美国

频率梳简介

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光学频率梳(OFC)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。随着光通信技术的飞速发展,OFC由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注。 [1] 

频率梳飞秒光学频率梳诞生

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光学频率梳已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。在该领域内,开展开创性工作的两位科学家J. L.Hall和T. W. Hansch于2005年获得了诺贝尔奖。原理上,光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列,在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络,其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子,形象化的称之光学波段的频率梳,简称"光梳"。光梳相当于一个光学频率综合发生器,是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具,可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来,为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体,也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具,逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。
获得光梳的关键首先是实现稳定的超短脉冲输出,其次是实现对该超短脉冲序列在时域及频域的精密控制,即对超短脉冲的载波包络相位和激光脉冲重复频率的控制。早期的光梳光源都是基于传统的钛宝石飞秒激光器构建而成。美国天体物理联合实验室J.L. Hall教授等人首次利用自参考f-2f技术实现了载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器,这标志着飞秒光学频率梳的诞生。 [2] 

频率梳飞秒光学频率梳的优点

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光纤激光器具有优异的稳定性、结构紧凑、价格合理,且易于维护,解决了超短脉冲在用户层面的窘境。光纤激光器作为第三代激光技术的代表,在科学研究及工业加工等应用领域具有诸多明显优势:光纤波导制造成本低;光纤的柔性及可缠绕性有利于实现激光器的小型化和模块化;光纤无需激光晶体那样严格的模式匹配或相位匹配;光纤激光器内部仅有较少或者几乎没有光学镜片,稳定性极佳;光纤激光器全封闭的光路结构能胜任恶劣的工作环境,对冲击震荡、湿度温度、灰尘颗粒具有较高的容忍度;此外,光纤激光器具有较高的电光效率,电光效率可达20%以上,显著节约了激光器的运行成本。
光纤的另一主要优势就是,通过选用各种掺杂的有源光纤和不同色散量及模场直径传输光纤,光纤光源可以实现相比钛宝石光源更宽光谱范围的激光输出,如1030nm波段的掺镱光纤激光非线性展宽后可覆盖600-1400nm,1560nm波段的掺铒光纤激光非线性展宽后可覆盖1000-2200nm,2.0μm波段的掺铥光纤激光非线性展宽后可覆盖1350-2700nm。
超短脉冲光纤激光器及光纤光梳的产品化是光纤激光技术发展的源动力。国外早在1990年就开始了超短脉冲光纤激光器产品化的探索工作,并涌现出如IMRA、Calmar、Fiannium、Menlosystems、Toptica等著名公司。近年,在我国政府的引导下,科研领域的成果加速了成果转化,一些高科技含量的超短脉冲光纤激光技术公司及产品陆续涌现,如上海朗研光电科技有限公司780nm、1064nm、1550nm等系列波长的超短脉冲激光器 [2] 

频率梳生活实际应用

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2015年,美国加利福尼亚州立大学的一个研究团队创建了一种“频率梳”装置,能够预测并解决光纤传播信息过程中的信号失真问题,进而不需依赖信号增强装置,即可直接传输比通常情况强20倍的信号

频率梳研发背景

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人类在线发布的数据正在呈指数级增长,业界专家一直担心“光纤容量终将消耗殆尽”。虽然在全球某些地区网速连接还是很慢,但最终“骨干互联网”仍有可能达到某个传输速度的极限。

频率梳应用价值

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加利福尼亚州立大学的工程师们消除了上述疑虑,利用“频率梳”装置,他们通过光纤电缆传播破译信息的距离超过1.2万公里,且无需生成新信号。这意味着其信号强度比传统光缆处理信号的能力要强上20倍。

频率梳解决问题

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长距离传送信息需要借助一种被称作“中继站”的装置,将数据转换成电信号。这虽然降低了系统的运行速度,限制了传输信息的体量,但是很有必要,因为光信号无法自行处理大量难以辨认的信息。研究团队首席研究员尼古拉·埃里克比喻说:“现在的光纤系统有点像流沙,你越挣扎,下沉得越快。光纤处理信号的能力到达某一极限后,越往里添加信息,结果失真就越严重。”
为了避免信号失真,研究团队首先针对不同光纤电缆通道之间的相互作用进行细致研究。“光纤电缆内部产生的失真遵循一定的物理学定律,并不是随机产生的。”埃里克说,这意味着他们能够学会预测这种失真。
埃里克将他们创建的“频率梳”装置比作在演出前指挥对管弦乐队进行调音:使用“频率梳”同步信号的起点,研究团队可以确保能够在不失真情况下,破译从1.2万公里外传输过来的信号。
研究人员工作重点是将这些“频率梳”应用到已有的光纤电缆中,一经应用,不仅能大大提高光纤电缆的传输效率,还能消除对互联网的速度限制,最重要的是它能大规模降低相关成本 [3] 
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参考资料