光學頻率梳專利技術簡述

葉菲　方宇　孫欽青

【摘 要】光頻梳作為簡單有效的測量裝置而備受青睞，其利用鎖模脈沖激光器產生超短光脈沖。在頻率域上，這些頻率譜就像梳子，梳齒間隔相等。光頻梳就是一把擁有精密刻度的尺子或定時器，可以通過將光頻梳中的飛秒激光與被測光進行拍頻來測量光頻。光頻梳技術對測量和非線性光物理等不同的領域產生顯著地影響，本文首先對光頻梳的產生進行分析，然后從專利申請、區域分布、技術分支角度分析光頻梳的專利總體情況;并對國內光頻梳的發展脈絡進行梳理。

【關鍵詞】光頻梳;專利;激光

中圖分類號： O437 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0139-003

0 前言

光頻梳的出現是超快光學與精密光譜學完美結合的產物，早在上世紀70年代，德國科學家T. W. H？覿nsch等人就提出了光頻梳的概念，他們應用鎖模染料激光器進行光譜學研究，發現該脈沖激光器能夠共振激發出鈉離子4d能級躍遷的精密譜線，進而驗證鎖模激光器的縱模是由一系列窄帶頻率梳齒所構成。在此后的三十年里，基于超短脈沖的激光物理技術與基于窄線寬激光器的激光光譜學技術向著似乎不相關聯的兩個學科方向發展。

光頻梳是一種由眾多分立、頻率間隔嚴格相等的頻譜所組成的寬帶光譜光源，它類似于一把劑量頻率的尺子，因此也被成為光學頻率尺[1]。基本原理是：脈沖激光器的輸出在時域上為一系列等間隔的超短脈沖，脈沖寬度一般為幾到幾十飛秒，重復頻率為MHz到GHz，由一系列等間隔光譜線組成的光梳，每個梳齒之間的間隔等于飛秒激光器的重復頻率。鎖模激光器的輸出脈沖可以看作是能量高度集中的波包，而且激光器鎖定的縱模越多，脈沖寬度越窄。由于激光腔內存在色散，導致載波在腔內往返一次后不能重現它與包絡間原有的相對位相關系， 因此相鄰兩個脈沖的載波與包絡之間呈現相對位相差ΔΦ。這個相移在頻域上就對應于理想頻梳的頻率漂移δ=ΔΦfr/2π，根據頻率梳的原理[2]，每個梳齒對應的頻率可以表示為：fn=nfr+δ。

1 專利統計分析

1.1 全球和中國專利申請量趨勢

1990年之前，光頻梳領域的專利申請量還比較少，美國國家標準技術研究院（NIST）的霍爾教授J. L. Hall和德國馬普量子光學所（MPQ）的亨施教授T. W. H？覿nsch于2005年被授予了的諾貝爾物理學獎章，而逐漸開啟了對光頻梳的研究，全球專利申請量大幅增長，并呈現迅猛的遞增趨勢，上世紀90年代末，基于飛秒摻鈦藍寶石的激光頻率梳的提出和實現使光頻梳發生了革命性進展。

1.2 全球主要申請人及申請人分布區域

國內光頻梳的研究略晚于國際水平，約從2008年起申請量呈穩健遞增模式，分析原因，因早起飛秒激光領域在國內發展并不是很成熟，近幾年開始，國內的高校、研究所及相關企業的申請量日漸增多，在產生方法和應用領域上也逐漸多樣化，到目前為止，我國有關光頻梳領域的申請量已經居于世界前位，約占37%，其次是美國的18%和日本的16%。專利技術的申請量一定程度上可以反映一個國家在該技術上的先進程度。專利技術的區域性導致了其在不同的國家出現不同的申請。在光頻梳的發展過程中除了對傳統的產生方法及應用領域的研究以外，還有逐漸發展起來的，如激光測距、光鐘等領域。

光頻梳的專利申請在世界各個國家和地區的分布中，美國和日本占據了較大的比例，這些國家的申請人多為企業，體現了光頻梳已經發展成為為產品或相應的部件用于實際生產中。而中國的申請人絕大多數為高校和科研院所，也說明光頻梳在國內的研究還處于剛剛起步的狀態，在科研方面取得了豐碩的成果，而隨著國內申請量的不斷增加，相信在不遠的將來即可實現產學研的有效結合。

2 技術分支與發展脈絡

光頻梳的產生方式主要有：鎖模激光器、單個/級聯電光調制器、非線性介質、循環移頻器。

2.1 鎖模激光器

上世紀70年代，德國科學家T.W. H？覿nsch等人通過超短脈沖激光與精密光譜學兩個不同研究領域的交叉，率先利用克爾透鏡效應產生的鎖模飛秒脈沖激光的重復頻率作為光頻梳的梳齒間隔，證明了相對誤差小于6×10-16的精度。鎖模激光器在時域上的輸出為周期性脈沖序列，針對周期性脈沖作傅里葉變換得到的在頻域上頻率間隔相等的光頻梳。但激光器內部存在的色散會使包絡的相位積累和載波相位積累存在固定的差值，因此需要進行校準。鎖模激光器的優點是結構簡單，產生的載波數目較多，但是存在載波數目不易控制、平坦度差、載波間隔不確定的缺點。

2007年由KOREA RES INST STANDARDS & SCI提出利用飛秒激光在光注入鎖定，將飛秒激光光頻梳注入到二極管激光器，從而獲得單模激光，在光頻梳中僅鎖相到單模，并且改變光頻率之間的間隔，與半導體激光器的頻率一起，同時實現以單一的所需光頻率（JP5360828B2）;2010年由IMRA AMERICA INC 提出，通過控制鎖模激光諧振腔內的腔內損耗，具體的，集合聲光調制器能夠使CEO頻率控制在MHz調制率，可能比通過光學泵浦調制快許多數量級（US2010225897A）;2012年由廣東漢唐量子光電科技有限公司提出的采用諧波鎖模的方式產生高重復頻率脈沖，從而擺脫了激光器腔長的束縛，在很大程度上放寬了高重復頻率脈沖的產生條件，另外，諧波鎖模激光器沒有腔長度的限制，便于放置色散和偏振控制元件，從而利于實現對激光脈沖特性的調節，以保證激光器輸出的穩定性（CN103001114A）;2013年由DELFYETT P J 提出了注入鎖模光頻梳的實現方法是通過偏振光譜的有源激光腔，消除光學PM邊帶中固有的穩定化方法（US20150086151A1）;2014年由IMRA INC提出基于被動鎖模激光器和光纖激光器的緊湊的光頻梳系統，為了通過鎖模光纖激光器產生短脈沖，可以在諧振腔內部結合色散補償元件例如啁啾光纖布拉格光柵或者具有不同色散參數的多個長度的光纖（DE112012002271T）;2014年由北京大學提出通過將摻餌鎖模光纖激光器產生光梳的重復頻率和光梳的一個模式同時鎖定在同一原子系統三能級結構上而獲得具有穩定模式的光梳，從而使得頻率源獲取裝置結構緊湊、占的物理空間小，進而滿足諸如光纖通信等應用對頻率源裝置便攜性的要求（CN103825168A）。

2.2 單個/級聯電光調制器

常見的級聯的電光調制器主要是通過控制射頻源幅度、偏置電壓、頻率等參數來改變輸出光頻梳性能，該方法具有子波間隔穩定、產生方式較為簡單等優點，但是若想獲得較大的載波數目需要的射頻驅動電壓較高，載波的平坦度也不夠理想。

2006年由獨立行政法人情報通信研究機構提出了采用單一的調制器來產生具有平坦譜線特性的光頻梳的光頻梳發生裝置，可以產生光學頻率間距相同并且具有平坦的譜線特性的光頻梳信號（JP2007248660A）;2006年由株式會社光コム研究所提出了為了獲得穩定的光頻梳，光頻梳發生器的光學調制器包括通過激光光束的電光晶體π弧度的光學調制的調制指數每次循環被執行到所述激光束，以產生光頻梳（JP2006337832A）;2011年由COVEGA CORP 提出采用一種雙并行調制器，其輸入光頻率信號在一個中心頻率梳齒，一個RF信號在一個頻率對應于一期望梳齒間距的光頻梳（US20110007383A1）;2014年由上海交通大學提出了一種基于射頻信號驅動級聯光電相位調制器和光電強度調制器的梳齒頻率間隔可掃頻的光頻梳產生裝置及產生方法，通過產生裝置產生的光頻梳相位相干，梳齒頻率間隔可在寬帶范圍內保持相位連續地掃頻，產生的光頻梳相位、頻率穩定（CN103941515A）;2016年由上海交通大學提出的通過將本地光經電光調制和聲光調制得到光脈沖，將其作為探測脈沖光信號輸入測試光纖，將得到的瑞利背向散射光信號與本地光耦合拍頻后進行光電轉換并解調，從而實現光頻率發射（CN105490738A）。

2.3 非線性介質

利用高非線性介質中的非線性效應如自相位調制、級聯四波混頻來得到大帶寬的光頻梳，這種方式產生的光頻梳數目較多，但是存在載波平坦度不好、載波數目不可控等缺點。

2006年由DOKURISTSU GYOSEI HOJIN SANGYO GIJUTSU SO提出一種光頻梳發生器能夠獲得一種光學梳齒具有優選的S/N，脈沖激光束輸入高非線性光纖后由高非線性光纖中的高非線性效應進行展寬后得到寬帶光頻梳，并具有優選的S/N（WO2007119449A1）;2008年由MAX PLANCK GES FOERDERUNG WISSENSCHAFTEN提出一光頻梳發生器包括一激光裝置用于產生輸入激光，一電介質的微諧振器具有一個空腔，其具有三階非線性，使得所述諧振器能夠提供參數變化的光（US20080285606A1）; 2011年武漢郵電科學研究院提出了通過連續光激光器輸出的光束，經過至少兩個調制器調制后，得到有頻率搬移的梳狀波，再用放大器進行光功率放大后，輸入至高非線性光纖產生四波混頻效應，最后經波長選擇開關調整光束（CN102338965A）;2013年由日本電信電話株式會社提出產生寬度光頻梳具有高信噪比，該光頻梳發生器包括使擴展帶寬的調制頻率軸上的信號通過一種非線性介質（JP201575614A）;2014年由上海朗研光電科技有限公司提出差頻過程所需的兩個信號光產生自同一個非線性混頻過程，可自動消除差頻過程產生的信號光的相位噪聲（CN103825176A）;2015年由中國科學院半導體研究所提出利用方環形等特殊形狀的電注入窗口，通過調節注入電流實現間距可調的雙橫模正方形激光器，其產生的光信號放大后經過高非線性光纖內級聯四波混頻效應展寬可獲得可調諧光頻梳（CN104765217A）。

2.4 循環移頻器

其基本原理是利用循環頻移來增大產生的載波數目。這種方式的優點是產生的光頻梳數目較多、平坦度較好，但是存在載波相位關系不明顯、載波噪聲較大等缺點。

2011年由武漢郵電科學研究院提出光源為多個波長不同的激光器、光頻梳、循環移頻器RFS或者采用F-P腔濾波器的多路光載波產生裝置中的一種，用于輸出多個頻率穩定的光載波（CN102437990A）;2013年由中國科學院物理研究所提出通過優化光纖振蕩器的腔內凈色散、振蕩器中引入內腔調制器和采用前反饋的聲光移頻器等技術，來實現低噪聲的光纖激光頻率梳裝置，同時聲光移頻器的使用，可以精確調控光頻梳的載波包絡相移頻率（CN103633537A）。

3 總結

正是由于光頻梳的發明，才使得人們能夠用微波頻標直接測量光學頻標，進而為發展更高精度的下一代光鐘、實現標定微波頻標提供了可能，這在頻率測量史上具有很大的意義，同時也促進了精密光譜學、阿秒激光物理等學科的進一步發展，光頻梳技術在未來仍然具有很強的發展潛力，隨著國內高校、研究所及相關公司的進一步探究，光頻梳將會在科技前沿開辟更廣闊的領域，未來也會得到更廣泛的應用。

【參考文獻】

[1]Holzwarth R， Udem T， H？nsch T W， et al. Optical frequency synthesizer for precision spectroscopy[J].Physical review letters， 2000， 85（11）： 2264.

[2]Udem T， Holzwarth R， H？覿nsch T W.Optical frequency metrology[J]. Nature， 2002，416（6877）：233.