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無論是實(shí)驗(yàn)室自搭，建還是高科技公司商品化的基于鎖模飛秒激光器的光頻梳，其飛秒激光器部分都是整個(gè)光梳系統(tǒng)內(nèi)硬件成本占比最高的部分。其中瑞士Menhir公司的GHz重復(fù)頻率的光纖飛秒激光器在搭建GHz大梳齒間隔的光頻梳應(yīng)用上為廣大科研以及OEM用戶所接受與推崇。其常用產(chǎn)品分為250MHz，1GHz，2.5GHz三種重復(fù)頻率的型號(hào)，波長(zhǎng)在1545-1565nm,脈沖寬度250fs； 重復(fù)頻率越高價(jià)格越高。

圖1.瑞士Menhir公司1550nm 1GHz重頻光纖飛秒激光器

那么很自然的就引出了兩個(gè)問題：

• 為什么要采用高重復(fù)頻率的飛秒激光器搭建光頻梳？

• 為什么要采用瑞士Menhir的光纖飛秒激光器搭建光頻梳？

對(duì)于第一個(gè)問題，“為什么要采用高重復(fù)頻率的飛秒激光器搭建光頻梳”?大致來源于一個(gè)由來已久的誤會(huì)。很簡(jiǎn)單，如果用鎖模飛秒激光器架構(gòu)光頻梳，光頻梳的梳齒間距就是飛秒激光器自身的重復(fù)頻率。也就是說250MHz重復(fù)頻率的飛秒激光器可以用來搭建250MHz梳齒間距的光頻梳，而1GHz重復(fù)頻率的飛秒激光器可以用來搭建1GHz梳齒間距的光頻梳。小編說過，對(duì)于Menhir廠家的產(chǎn)品而言，重頻越高則激光器價(jià)格越高。那么，光頻梳難道不是梳齒越精細(xì)越好么？我還有什么理由買更貴的激光搭建梳齒間隔更寬的光頻梳呢？

就光頻梳的科普文章，小編不敢班門弄斧，建議大家參考一篇科普文章，Dr. Steven Cundiff, Jun Ye and John Hall 發(fā)表在Scientific American的 "Ruler of the light" . 在這里，就不引用其文字，而主要引用其文章內(nèi)幾張很有代表性的圖片。

圖2. Scientific American科普文章"Ruler of the light"的截圖

上面的誤會(huì)就可能是來源于圖2的這個(gè)截圖，光頻梳就可以被看作一把在光頻率域上的尺子，那么難道不是尺子刻度越精細(xì)越好么？哈哈，還真不是。請(qǐng)看同一篇文章內(nèi)的下面這個(gè)圖：

圖3. Scientific American科普文章"Ruler of the light"的截圖

在圖3.中，左邊是一個(gè)單獨(dú)的飛秒脈沖，把時(shí)間域的飛秒脈沖從頻率域（也就是光譜域）來觀察的話，就是一個(gè)有一定帶寬的光譜，脈沖寬度越短則光譜帶寬越寬。而如果能夠做到一系列飛秒脈沖的載波包絡(luò)偏移頻率fceo,以及這一系列飛秒脈沖的重復(fù)頻率ffeq 保持穩(wěn)定的話，則這一系列飛秒脈沖串在頻率域觀察的話，就可以形成不僅僅初始頻率穩(wěn)定，而且其頻率間隔也穩(wěn)定且美妙的光頻梳結(jié)構(gòu)。在這里面就要強(qiáng)調(diào)了，考察光頻梳優(yōu)劣最主要的是，要求光頻梳“穩(wěn)和強(qiáng)”而并非是梳齒結(jié)構(gòu)的“細(xì)”。為什么呢？

請(qǐng)觀察圖3.的右下部分，光頻梳其實(shí)就是一系列在頻率域上等間距的光譜線輸出，頻率不同也就是波長(zhǎng)不同，在圖3.里面很形象的把波長(zhǎng)不同表現(xiàn)為顏色不同。那么對(duì)于觀察者“人”而言，準(zhǔn)確的辨別出這些不同的顏色需要什么呢？肉眼是做不到的，需要一個(gè)有足夠高光譜分辨率的光譜儀替代人眼做測(cè)試才能辦的到。而且反過來說也同樣成立，一個(gè)足夠穩(wěn)定的光頻梳，可以用于校準(zhǔn)高分辨率的光譜儀。對(duì)于前者，可以參考我司的另外一篇文章“高分辨率光頻梳檢測(cè)”里面提及的Zepren公司超高分辨率布里淵散射光譜儀BOSA用于測(cè)試與評(píng)估1 GHz光頻梳。對(duì)于后者，也同樣舉一個(gè)例子：天文應(yīng)用的超高分辨率中階梯光柵光譜儀的光譜校準(zhǔn)，在這個(gè)應(yīng)用中筆者看到的應(yīng)要求是，由于即使是天文級(jí)別大口徑長(zhǎng)焦距中階梯光柵光譜儀，其光譜分辨率也做不到GHz以下，所以為了做校準(zhǔn)，科學(xué)家特殊架構(gòu)了30GHz梳齒間距的光頻梳才真正做好了這臺(tái)超高分辨率中階梯光譜儀的校準(zhǔn)。我們知道，對(duì)于光譜儀校準(zhǔn)而言，*經(jīng)典也是*傳統(tǒng)的方式是利用低壓汞燈等具備穩(wěn)定且狹窄原子發(fā)射譜線的光源做光譜儀單點(diǎn)波長(zhǎng)校準(zhǔn)，然后再用計(jì)算的方式延展到光譜儀其他波長(zhǎng)點(diǎn)。而如果利用光頻梳做為校準(zhǔn)源的話，有一個(gè)顯見的好處是可以同時(shí)校準(zhǔn)到梳齒點(diǎn)代表的所有波長(zhǎng)點(diǎn)。那么對(duì)于光頻梳本身有什么要求呢？第一是要具備汞燈輸出線一樣，甚至更好的波長(zhǎng)穩(wěn)定而且強(qiáng)的輸出線，第二是梳齒間隔要做到足夠的寬這樣才有可能讓待校準(zhǔn)的光譜儀能夠分辨出來。這就是大梳齒間距光頻梳的需求點(diǎn)。

我們知道，對(duì)于某一光頻梳的總輸出功率而言，梳齒數(shù)越多，則可分配到每一個(gè)梳齒的功率或能量都會(huì)等比下降。反而言之，梳齒間隔越寬的光頻梳，可分配到每個(gè)獨(dú)立的梳齒上的功率或能量則可以越高。而對(duì)于利用光頻梳做光譜校準(zhǔn)，做時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)傳遞，做微波頻率信號(hào)發(fā)生，做速度與距離測(cè)試等若干應(yīng)用而言，梳齒強(qiáng)度越高則信噪比可以做到越高。在這里，光頻梳梳齒間隔寬還有一個(gè)更有意思的潛在應(yīng)用：DWDM密集波分復(fù)用。我們知道，光纖通訊中一根單模光纖里面可以跑很多不同波長(zhǎng)的光信號(hào)（我們稱之為信道），鋪設(shè)一個(gè)廣域光纖通訊網(wǎng)絡(luò)耗資動(dòng)輒十億記，而隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，需要傳遞的信息增長(zhǎng)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)行硬件系統(tǒng)的既有帶寬，那么如何解決這個(gè)問題呢？一個(gè)多快好省的解決方案是利用現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)，盡可能加大每根光纖內(nèi)能夠傳導(dǎo)的信道數(shù)，這就是所謂DWDM密集波分復(fù)用。光頻梳就是一個(gè)極其有趣的未來DWDM密集波分復(fù)用光源，首先光頻梳本身有望做到基于一臺(tái)激光器即可同時(shí)涵蓋DWDM密集波分復(fù)用的所有通訊信道，也就是有望大大的降低通信信道光源成本，其次密集波分復(fù)用為了避免由于信源波長(zhǎng)的漂移與展寬導(dǎo)致的信道串?dāng)_，必須保證一定的信道間距，從而導(dǎo)致了光纖內(nèi)可容納的總信道數(shù)受到限制，而對(duì)于光頻梳而言，其波長(zhǎng)的漂移遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的窄線寬半導(dǎo)體激光器，而且就算是有一點(diǎn)點(diǎn)頻率漂移，其每個(gè)梳齒的頻率漂移無論是方向還是漂移量是*全一致的，等于天生的具備*強(qiáng)的抗串?dāng)_能力。如此來說，基于光頻梳的DWDM密集波分復(fù)用系統(tǒng)則有望做到更高的信道密度且更低廉的成本。當(dāng)然，現(xiàn)在2.5GHz的Menhir激光器架構(gòu)的光頻梳還達(dá)不到DWDM密集波分復(fù)用應(yīng)用的要求，我們知道Menhir現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)激光型號(hào)直接架構(gòu)的光頻梳其梳齒間隔上限是2.5GHz，而查閱現(xiàn)行密集波分復(fù)用信道參數(shù)，其信道間隔標(biāo)準(zhǔn)是200GHz，100GHz和50GHz三檔，如何有效的填補(bǔ)這個(gè)頻率上的間隔，科學(xué)家主要是致力于更寬梳齒間隔的光頻梳研發(fā)。

對(duì)于一些基于光頻梳的微量氣體檢測(cè)的應(yīng)用也是相當(dāng)有趣的，我們知道現(xiàn)行基于光學(xué)的氣體檢測(cè)有一個(gè)發(fā)展已經(jīng)非常成熟的TDLAS可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜檢測(cè)法，即針對(duì)與特定氣體的光譜吸收峰，調(diào)諧一臺(tái)窄線寬半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)到氣體吸收峰，利用單點(diǎn)探測(cè)器接收信號(hào)，通過測(cè)試吸收光譜來計(jì)算特定氣體的含量。而基于光頻梳的氣體吸收檢測(cè)系統(tǒng)的有趣點(diǎn)在于，由于光頻梳的梳齒可以涵蓋一個(gè)很寬的光譜范圍，那么掃描一個(gè)光頻梳則可以同時(shí)涵蓋若干臺(tái)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的掃描范圍，可以同時(shí)完成若干個(gè)氣體組分的檢測(cè)。但在架構(gòu)光譜檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)同樣也遇到了問題，常規(guī)的多通道光譜分析儀OSA是不可能做到光頻梳GHz甚至是MHz的光譜分辨率的。一個(gè)可行的解決方案是參考FTIR傅里葉變換紅外光譜儀的掃描干涉架構(gòu)，利用單點(diǎn)探測(cè)器采集時(shí)域的信號(hào)，再利用快速傅里葉變換算法計(jì)算出頻率域也就是波長(zhǎng)域的吸收光譜。一般而言，會(huì)采用兩臺(tái)重頻相似的激光制備兩臺(tái)梳齒結(jié)構(gòu)相近的光頻梳，組成一套異步掃描雙光梳光譜檢測(cè)儀，用單點(diǎn)探測(cè)器檢測(cè)時(shí)域信號(hào)后，再用快速傅里葉算法計(jì)算回吸收光譜信息。在這里就可以參照FTIR快速傅里葉變換光譜儀的性能規(guī)律了，對(duì)于FTIR而言，其掃描行程越長(zhǎng)，做快速傅里葉變換后實(shí)現(xiàn)的光譜分辨率就越高（當(dāng)然耗時(shí)也越長(zhǎng)）。而對(duì)于異步掃描雙光頻梳而言，其異步掃描的最大行程是光頻梳的單個(gè)梳齒之間的間隔。同樣的，梳齒間隔越長(zhǎng)，則梳齒掃描行程越長(zhǎng)，通過快速傅里葉變換計(jì)算后，后可實(shí)現(xiàn)的光譜分辨率就越高。而且由于單個(gè)梳齒的強(qiáng)度更高，測(cè)試吸收的信噪比也會(huì)更高。

對(duì)于所有檢測(cè)系統(tǒng)而言，多次積分平均是提升檢測(cè)系統(tǒng)信噪比最直接有效的方式，而利用高重復(fù)頻率飛秒激光架構(gòu)的寬梳齒光頻梳，由于泵浦端信號(hào)重復(fù)頻率高，則時(shí)域探測(cè)器的探測(cè)端可以在同樣時(shí)間段內(nèi)做更多次數(shù)的積分平均，無疑會(huì)大幅度的提升測(cè)試信噪比。

綜上，我們列舉了一些基于高重復(fù)頻率飛秒激光器架構(gòu)寬梳齒結(jié)構(gòu)光頻梳的優(yōu)點(diǎn)，那么瑞士Menhir公司的1550nm,GHz級(jí)別重復(fù)頻率的光纖飛秒激光器有什么優(yōu)勢(shì)呢？

首先當(dāng)然是Menhir公司的光纖飛秒激光器重復(fù)頻率高（標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)有250MHz，1GHz,2.5GHz）三種可選，前文已經(jīng)有很大篇幅列舉了高重復(fù)頻率飛秒激光器架構(gòu)大梳齒間距光頻梳的好處。

考察現(xiàn)行光頻梳的制備方法，基于鎖模飛秒激光器制備的光頻梳是*傳統(tǒng)的制備方式，優(yōu)點(diǎn)是功率高，波長(zhǎng)范圍寬，商品化程度最高。而新進(jìn)發(fā)展的諸如光學(xué)微腔與波導(dǎo)等的光頻梳優(yōu)點(diǎn)在于能耗低，體積小，對(duì)未來高集成度，微小體積光頻梳系統(tǒng)非常有利，但系統(tǒng)功率強(qiáng)度與商品化穩(wěn)定性現(xiàn)在還弱很多。而對(duì)于現(xiàn)在穩(wěn)定性與商品化程度最高的基于鎖模飛秒激光器制備的光頻梳而言，光纖飛秒激光器的穩(wěn)定性與操作簡(jiǎn)易程度碾壓級(jí)別的優(yōu)于基于鈦寶石激光器的鎖模飛秒激光器。在光纖飛秒激光器內(nèi)部再進(jìn)行橫評(píng)，純光纖架構(gòu)占比越高則其穩(wěn)定性與操作簡(jiǎn)便度越高。在這里需要感謝數(shù)以千億美元計(jì)算的光纖通訊產(chǎn)業(yè)在30多年以來的長(zhǎng)足發(fā)展，在光纖光波導(dǎo)相關(guān)的常規(guī)與特種材料，光纖熔接或波導(dǎo)器件耦合技術(shù)與零件/器件制備與品質(zhì)控制等方面均做到了神一般級(jí)別的穩(wěn)定，簡(jiǎn)便，高效，兼容與廉價(jià)，這一點(diǎn)是部分還停留在手工作坊階段的激光器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)完*望塵*及的。所以相對(duì)而言，光纖激光器作為激光器制備產(chǎn)業(yè)里面一個(gè)新興的分支，由于站在了巨人的肩膀上，在穩(wěn)定，簡(jiǎn)便，高效，兼容與廉價(jià)上極其迅速的以碾壓級(jí)別的優(yōu)勢(shì)超越的傳統(tǒng)激光器制備行業(yè)。Menhir公司的光纖飛秒激光器其內(nèi)部器件是采用穩(wěn)定性最高的熔接形式固定，而光纖熔接法是光器件與光波導(dǎo)耦合形式里機(jī)械穩(wěn)定性最高，抗環(huán)境干擾能力*強(qiáng)的耦合形式。Menhir公司有一個(gè)視頻，有人用錘子大力擊打工作狀態(tài)下的Menhir-1550 GHz高重復(fù)頻率光纖飛秒激光器本體，用旁邊的光譜檢測(cè)儀做觀察，顯示其光譜位置與功率輸出均非常穩(wěn)定，說明其鎖模狀態(tài)非常穩(wěn)定，抗沖擊抗干擾能力超群?？梢灾v，從木桶原則看，基于Menhir公司光纖飛秒激光器架構(gòu)的光頻梳，其木桶短板絕對(duì)不會(huì)是Menhir激光器，對(duì)于用戶而言，Menhir就是放心，高效與簡(jiǎn)便的同義詞。

本文參考文獻(xiàn)：

1. 《Ruler of the light》，Scientific American雜志2008，作者： Steven Cundiff, Jun Ye and John Hall

2. 《Simplified offset stabilization of a low-noise 1 GHz oscillator》，文章所屬權(quán);Menhir公司，Octave公司，Vescent公司