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3分钟了解飞秒光纤光频梳

光电汇OESHOW

2025-10-13

文 | 程海皓、吴舜，武汉工程大学

飞秒光频梳(光学频率梳或光梳)是21世纪最具有革命性的激光光源之一，可输出脉冲宽度飞秒量级的激光。在时域内，表现为时间间隔相同的飞秒脉冲序列；在频域内，表现为频率间隔相等的离散相干谱线。因其形状类似梳子(“梳齿”对应谱线)，故得此名。光梳的发明者Hall和Hansch也凭借在光学频率梳及精密光谱学领域的杰出贡献共同获得了2005年诺贝尔物理学奖。

从光频梳的产生机理上来划分，可分为微腔光梳(基于克尔微腔)、电光频率梳(基于电光调制技术)、锁模光频梳(基于锁模激光器)。飞秒光纤光频梳是以飞秒锁模光纤激光器为种子源，并配合不同的锁定技术实现的光学频率梳系统。和其他种类的光频梳相比，飞秒光纤光频梳的优势在于：

光纤具有丰富的色散、非线性、增益、损耗等参数，非常易于进行输出参数的调控；
光纤表面积和体积之比很大，散热性能良好；
光纤激光器体积小、质量轻、成本低廉、无需准直、操作简单、易于维护，适合户外及航天航空等复杂环境下的应用；
光纤激光器以光纤作为输出方式，易与光纤通信、光纤传感等系统兼容。

图 1(a)时域内的脉冲图像,(b)频域内的频谱图像

图1给出了飞秒脉冲序列在时/频域的示意图。脉冲重复频率(f_rep)是指光纤激光器谐振腔每秒发出的激光脉冲数，其值与激光脉冲在腔内往返时间(T_r)成倒数关系；载波包络偏移频率(f_ceo)是描述激光脉冲在光纤内传输过程中，由于群速度和相速度的不同导致脉冲包络内，载波和包络之间相位差偏移量的变化情况。通过将f_ceo信号和f_rep信号锁定在稳定的时钟参考(射频参考/光学频率参考)上，使光脉冲/光谱稳定输出，即完成了光频梳系统的搭建工作。同时，在光频范围内，第m根梳齿可由式(1)表示。

其中m为梳齿序数，等式左边为光频率，等式右边为射频频率。通过光频梳将光频和射频有机的结合起来，故而可以将光频梳看作是一种电磁频域内的“度量衡”。

飞秒光纤光频梳的类型

飞秒光纤光频梳既可依据采用的光纤激光器种类分类，亦可根据不同的锁定方式分类。

光纤激光器可根据其结构、材料、以及输出脉冲特性的不同有多种分类方式。根据结构不同可以分为全光纤型和光纤-空间混合型；基于使用的增益介质材料不同可分为掺铒(Er)光纤激光器、掺镱(Yb)光纤激光器、掺铥(Tm)光纤激光器、掺钬(Ho)光纤激光器等，不同的增益介质对应不同的输出光谱波段；按照输出脉冲特征进行分类，可分为传统孤子(Conventional Soliton, CS)型、展宽孤子(Stretched Soliton, SS)型、耗散孤子(Dissipative Solitons, DS)型等。

按照锁模技术进行分类，可以分为主动锁模、被动锁模、主-被动混合锁模。锁模技术的选择不仅限制了激光器的结构参数，同时也对激光器的输出参数有深远影响。被动锁模技术主要通过在腔内放置具有可饱和吸收效应的元件或结构，在时域实现对光强的周期性调制，在频域，使得具有相同频率间隔的多纵模同相振荡。

其具体工作原理如下：内置在腔内的非线性元件或者结构具有可饱和吸收效应且无需外部信号调制；在时域内，当多个纵模同时在激光腔内振荡，模式拍频过程提供了锁模演化的种子脉冲，该脉冲的宽度往往在纳秒量级。该宽激光脉冲在经过腔内损耗调制器件时，受该器件的可饱和吸收效应作用，即脉冲强度弱的部分经受的损耗大、透过率小，脉冲强度高的部分受到的损耗小、透过率大，腔内循环的脉冲在时域上不断被窄化。频域内，在周期性强度调制的作用下，位于增益介质增益带宽内成千上万个纵模在腔内实现稳定振荡，同时这些纵模的相位满足相干叠加的关系。

被动锁模方式因其无需外部调制、锁模状态稳定通常作为光纤光频梳种子源的锁模方案。按照可饱和吸收效应的实现方式可分为两类：一类根据真实可饱和吸收体如：半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)、石墨烯(Graphene)、拓扑绝缘体(Topological insulator，TI)、过渡金属二硫化物(Transition metal disulfide，TMD))、超二维材料等。另一类基于人造可饱和吸收体，包括非线性偏振旋转/演化效应(NPR/NPE)、非线性光学/放大环镜(NOLM/NALM)等。

飞秒光纤光频梳自由度的探测

根据图1的时频域图像可知，将输出激光脉冲的f_rep和f_ceo锁定后，可获得输出稳定的光频梳光源。如何探测f_rep信号及f_ceo信号，并将它们牢牢锁定至参考源是光纤光频梳搭建中的核心问题。f_rep信号位于射频波段，使用目前市面上销售的高带宽光电探测器即可实现f_rep及其谐波信号探测。而f_ceo位于太赫兹波段，使用探测器无法直接获取。

图2给出了获得f_ceo信号的两种不同方法。首先是采用自参考技术，将输出光谱扩展到一个倍频程以上，使光谱同时存在f_a和其二次谐波f₂_a的两个分量，如式(2)所示。

然后，采用倍频晶体将f_a分量倍频产生2f_a分量，由式(3)所示。采用外差探测的方法，即对f₂_a信号及2f_a信号进行外差干涉拍频(数学上为式(3)减去式(2))即可获得f_ceo信号。在锁定f_ceo频率时，其产生控制信号的思路与锁定f_rep相同，获得的控制信号通过调制激光器的泵浦电流或调节电光调制器(EOM)实现f_ceo信号的锁定。

图 2 (a)扩谱自参考和(b)光学拍频法获得f_ceo信号

此外，还可通过光学拍频的方案获得f_ceo信号，此方案通常用于光学参考锁定自由度的方案当中。具体如图3所示。根据式(1)，拍频信号f_beat1和f_beat2的频率可写为式(4)、(5)所示。式中，f_s为标准光频信号，m为梳齿个数。

通过对(4)、(5)两式进行简单运算，可进一步可推导出f_ceo信号的表达式及含有f_rep的表达式，如式(6)、(7)所示。由于光电探测器带宽有限，且f_s频率已知，故可较为容易探测出f_rep信号。

自由度锁定方案及对比

频率稳定度是衡量光频梳锁定效果好坏的重要性能指标。

图3给出了在光频梳实现过程中得四类锁定方法。图3(a)描述的是将f_rep信号和f_ceo信号同时锁定在射频参考源。根据式(1)可知，锁定后第m根梳齿的不确定度为式(8)所示。

对于射频参考而言，其稳定度在10⁻¹¹(Rb原子钟)至10⁻¹³(氢原子钟)量级，而由于m的量级为10⁶，等式右边第二项较小，可忽略。它的整体稳定度主要由f_rep锁定后的稳定度所决定。

图3(b)给出了将f_ceo信号锁定在射频参考源，再锁定一根“梳齿”至光学参考的方案。根据式(1)光学参考可写为式(9)，单根梳齿可改写为式(10)。

图 3 不同锁定方式对比

锁定后的不稳定度可写为式(11)。可以看出，它的稳定度由f_rep的稳定度和f_ceo的稳定度共同给出。当考虑第m根梳齿在900 nm至1900 nm的范围内，光学参考在1540 nm附近时，第一项的稳定度在10⁻¹⁴至10⁻¹⁸量级(假定射频参考稳定度10⁻¹¹量级)。第二项的稳定度主要由光学参考的稳定度所决定，当高于10⁻¹⁴时，总体稳定度由第二项起主导作用。

此外，可采取类似的方法，将f_rep信号锁定在射频参考源，再将一根位梳齿锁定至光学参考，如图3(c)所示。同理，结合式(1)、式(9)可推导出锁定后的稳定度，如式(12)所示。与前面的锁定方式相比，相同的是，越靠近光学参考部分的梳齿稳定度越越好，随着梳齿频率远离参考光频，逐渐变差。不同的是，溯源到射频参考的f_rep信号稳定度起主导作用。

图2(d)给出了将光频梳的两个梳齿分别锁定到两个光学参考上的搭建方案。通过对式(9)改写，可以获得两个光学参考频率的表达式，通过进一步地推导可以写出锁定后的不稳定度(式(13)所示)。此时，总的稳定度由两个参考的稳定度共同决定，越靠近参考的部分稳定度越高。此外，在两个参考之间的总稳定度最高，随着远离参考中心区域，总稳定性随之降低。

飞秒光纤光频梳面临的挑战和发展方向

噪声的压制

光纤光频梳的输出噪声分析及压制是未来的发展方向之一。输出的噪声主要来源于种子源(光纤激光器)的噪声、放大压缩的噪声、超连续谱产生过程中引入的噪声等。从表现形式上，可分为强度噪声和时间抖动。

目前，已有关于激光器噪声分析和超连续谱噪声压制的报道。采用基于NALM锁模的“9”字型腔光纤激光器有着良好的噪声表现，且可支持搭建成全保偏结构，有助于进一步抵抗环境变化带来的性能恶化问题。未来，将针对不同频段的噪声来源进行分析，找到来源并进行压制，实现低噪声光脉冲输出。

重频的提高

光纤光频梳直接输出的飞秒脉冲f_rep由种子源所决定，由于采用的增益介质是光纤，其几何长度和晶体相比较长，难以做到高重频。近年来，随着制纤工艺的不断升级，光纤掺杂浓度有较大提升，增益系数(吸收率)不断提高。

此外，随着二维材料的发展，锁模元件的体积尺寸不断减小，这些都有助于减小光纤谐振腔的腔长，进而提高重频。当然，还有一些通过腔外滤波的方法，对输出光脉冲的重频进行整倍数的提升。

智能化集成化发展

随着光芯片行业的不断发展，传统光路的部分功能有望在光波导芯片上实现。因此，尝试采用光波导结构代替现有的全光纤化的放大压缩、超连续谱以及f-2f系统，构建芯片化的波导f_ceo探测装置。将神经网络智能算法与光纤激光器锁频、锁相过程相结合，实现智能化的f_rep、f_ceo的锁定。可大幅降低现有装置的体积，简化系统复杂度并推动智能化、小型化工程样机的发展，为工业及航天领域的精密测量应用提供新的光源方案。