电光调制光频梳

封面图：光频梳

图片来源： Image courtesy of Second Bay Studios/Harvard SEAS

撰稿 | 戴茂林

光学频率梳是指在频谱上由一系列均匀间隔的频率分量组成的光谱，这种光谱可以由锁模激光器，谐振腔或电光调制器等方式产生。其中由电光调制器产生的光频梳拥有高重复频率、内在互相干以及较高功率等特点，其在基础物理、光谱学或仪器校准中应用广泛，近年来引起越来越多研究人员的兴趣。

近日，法国勃根第大学的Alexandre Parriaux等人在Advances in Optics and Photonics 期刊上发表综述论文，系统介绍了电光调制产生光频梳的最新研究进展以及应用：包括光频梳的介绍，电光调制产生光频梳的方法以及特点，最后详细的列举了电光调制光频梳的应用场景，包括精密光谱、双光梳干涉、仪器校准和任意波形发生等方面的应用，讨论了不同应用其背后的原理。最后，作者给出了对电光调制光频梳技术的展望。

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背景

在60年前的5月份，Maiman博士发明了第一台红宝石激光器。四年之后，美国贝尔实验室的哈格罗夫、福克和波拉克率先报导了在氦氖激光器中实现的主动锁模，这种锁模激光在的光谱在时域上表现为脉冲发射，在频域上则是表现出一系列离散且等距的短线，很类似我们日常使用的梳子，于是我们把这种光谱称之为“光学频率梳”，简称“光频梳”。

在光频梳中，每一根梳齿的频率表达式为，其中是光梳纵模相对于零点频率的偏移量，n是整数，是光梳纵模的频率间隔，即重复频率。由于光频梳的良好应用前景，2005年的诺贝尔物理学奖颁给了对光频梳技术作出开创性工作的Hänsch 和Hall，从此，光频梳的发展到了一个崭新的阶段。由于不同的应用对光频梳有着不同的要求，比如功率、线间距和中心波长等，这就催生了需要使用不同的实验手段来产生光频梳，比如锁模激光、微型谐振腔和电光调制器。

图1 光频梳的时域谱图和频域谱图

图源：Electro-optic frequency combs

自从光频梳被发现以来，大部分光频梳的产生还是利用锁模激光器。在锁模激光器中，利用一个往返时间为τ的空腔来固定纵模之间的相位关系，从而来确定激光的重复频率，一般能从兆赫兹（MHz）到千兆赫兹（GHz）。

 

而微型谐振腔产生光频梳是基于非线性效应的，往返时间是由微腔的长度决定的，由于微腔的长度一般小于1mm，由微腔产生的光频梳重复频率一般是10 千兆赫兹 到 1 太赫兹。常见的微腔有三种，微管、微球和微环。利用光纤中的非线性效应，如布里渊散射或者四波混频，与微腔结合，也可以产生几十纳米范围的光频梳。此外，利用一些声光调制器，也可以产生光频梳。

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电光调制及电光调制光频梳

电光效应指的是，在外加电场的情况下，材料的折射率发生改变的效应。电光效应主要有两种，一种是一次电光效应，也称波克尔斯效应，指的是材料折射率随着外加电场呈线性变化关系。另一种是二次电光效应，也称克尔效应，此时材料折射率的变化与电场的平方成正比。大多数电光调制器是基于波克尔斯效应的。利用电光调制器，我们能对入射光的相位进行调制，在相位调制的基础上，通过一定的转换，也可以对光的强度或者偏振进行调制。

 

通过电光调制器来产生光频梳，有几种不同的经典结构，如图2所示，(a)(b)(c)都是单调制器结构，结构简单，但是产生的光频梳线宽收到电光带宽的限制。如果需要产生高重复频率的光频梳，就需要两个或多个调制器级联，如图2(d)(e)所示。最后一种产生光频梳的结构叫做电光谐振腔，是将电光调制器放置在谐振腔内，或这个谐振腔本身就能产生电光效应，如图3所示。

图2 几种基于电光调制器来产生光频梳的实验装置图

图源：Electro-optic frequency combs

图3 几种电光腔的结构

图源：Electro-optic frequency combs

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电光调制光频梳特点

优点一

可调谐性

由于光源是可调谐宽谱激光，并且电光调制器也有一定的工作频率带宽，所以电光调制光频梳也是频率可调谐的。除了频率可调，由于调制器的波形产生是可调的，所以由此产生的光频梳的重复频率也是可调的。这是锁模激光器和微型谐振腔产生的光频梳所不具有的优势。

优点二

重复频率

重复频率不只是灵活可调，而且不需要改动实验装置就能实现。电光调制光频梳的线宽大致相当于调制带宽，一般商用的电光调制器带宽为40GHz，电光调制光频梳重复频率能超过除了微型谐振腔（能达到100GHz）外其他所有方法产生的光频梳带宽。

优点三

光谱整形

与其他途径产生的光梳相比，电光调制光频梳的光盘形状由多个自由度来决定，比如射频信号、偏置电压、入射偏振等，可以用这些自由度来控制不同梳齿的强度，使其达到光谱整形的目的。

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电光调制光频梳的应用

电光调制光频梳在实际应用时，可分为单梳光谱和双梳光谱。单梳光谱的线间距很窄，所以能够达到很高的精度。同时，相比于锁模激光器产生的光频梳，电光调制光频梳的装置体积很小，并且可调谐性更好。而双梳光谱仪是由两束重复频率略有不同的相干单光梳干涉而产生的，这个重复频率之差就是新的干涉光频梳谱的线间距。光频梳技术，能够在光学成像、测距、测厚、仪器校准、任意波形光谱整形、射频光子学、远程通信、光学隐身等等方面大有可为。

图4 光学频率梳的应用场景：以测量高速子弹轮廓为例

图源：Christian Grupe, Philipp Trocha, KIT

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总结展望

但是对于电光调制光频梳而言，未来工作应重点放在提高电光调制器带宽，从而获得更好的线间距和更短的脉冲，我们或许可以从电光调制材料或者一些其他的新技术入手。同时，我们也可以更多的拓展新的应用领域，将光频梳的应用潜力充分发挥出来。

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文章信息：

相关成果以“ Electro-optic frequency combs ”为题发表在 Advances in Optics and Photonics 。

论文地址：

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