請(qǐng)問(wèn)一下光學(xué)頻率梳可以用來(lái)做什么呢？

請(qǐng)?jiān)囅胍幌?，在你一眨眼的功夫，一束光線就可以完成上千萬(wàn)億次（101?）的振動(dòng)，如此龐大的數(shù)字里面蘊(yùn)含著機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，歸功于激光物理學(xué)近幾十年來(lái)的革命性進(jìn)步，科學(xué)家得以開(kāi)發(fā)出一種新型的“光尺”，成功地釋放了這種超高頻率的巨大潛力，并使其成為未來(lái)在極高精準(zhǔn)度下測(cè)量頻率與時(shí)間的核心技術(shù)。這里，我們談?wù)摰谋闶菢s獲2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的——光學(xué)頻率梳。

光學(xué)頻率梳，就像生活中梳子一樣，在光譜上具有數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)條緊密的“刻度線”，即離散的，均勻頻率間隔，具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的梳齒。

光學(xué)頻率梳一般是由鎖模激光器產(chǎn)生，每個(gè)梳齒代表了單一頻率振動(dòng)的激光縱模，它們?cè)诳臻g中互相重疊且相位同步，產(chǎn)生所謂的“拍頻”（beat note）現(xiàn)象，即光脈沖。

愈多條相位同步、頻率不同的波疊加時(shí)，尖峰的強(qiáng)度愈大，產(chǎn)生的拍頻也就愈短，往往可以達(dá)到飛秒（fs）的量級(jí)。

以音樂(lè)做比喻更便于理解：對(duì)于每個(gè)單色光而言，它們像是只有一根弦的小提琴，只能奏出單一音調(diào)，所以要演奏一首簡(jiǎn)單的曲子，需要費(fèi)力地校準(zhǔn)每一把；相較之下，使用光學(xué)頻率梳，一個(gè)操作者就能使無(wú)數(shù)的單色光同時(shí)合鳴，模擬整個(gè)交響樂(lè)團(tuán)。

圖1：光學(xué)頻率梳示意圖，其頻率組成為fn=nfr+f0，其中fr-1是在鎖模激光器中的往返時(shí)間。

光學(xué)頻率梳對(duì)科技帶來(lái)的變革，某種意義上就如同100年前發(fā)明示波器一樣。示波器讓信號(hào)可以被直接顯示出來(lái)，宣告了現(xiàn)代電子技術(shù)的來(lái)臨，催生了從電視機(jī)到智能手機(jī)等各式各樣的產(chǎn)品。不過(guò)，光的振動(dòng)要比最快的示波器所能顯示的還要快一萬(wàn)倍，但藉由光學(xué)頻率梳這個(gè)橋梁，人們有能力將準(zhǔn)確的微波測(cè)量轉(zhuǎn)換成同樣精準(zhǔn)的光波測(cè)量。于是，眾多潛在的應(yīng)用正在慢慢浮現(xiàn)。

讓世界重新對(duì)時(shí)

光學(xué)頻率梳的發(fā)明對(duì)原子鐘測(cè)時(shí)來(lái)說(shuō)是革命性的。光學(xué)原子鐘是以原子的自然振動(dòng)來(lái)測(cè)算時(shí)間的，原理一如祖父鐘中鐘擺的擺動(dòng)。

通常這些原子每秒振蕩約五百萬(wàn)億次，比基于微波的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘頻率高得多，以至于需要極其復(fù)雜和多層的電子線路來(lái)計(jì)數(shù)，大大削弱了精準(zhǔn)度。

而由于光學(xué)頻率梳的性質(zhì)，它的梳齒就像時(shí)鐘的齒輪一樣，將高速光學(xué)頻率通過(guò)拍頻頻率差轉(zhuǎn)換更低頻的微波信號(hào)，簡(jiǎn)化了測(cè)量所需的人力物力，讓人們更簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

為了讓這些新型光學(xué)原子鐘用于對(duì)秒的重新定義，NIST的研究團(tuán)隊(duì)分別在光纖和自由空間鏈路的兩端，以創(chuàng)紀(jì)錄的精度比較了三種世界最先進(jìn)的原子鐘。

NIST的物理學(xué)家David Hume說(shuō)道：“我們的測(cè)量結(jié)果不管是在光纖或者自由空間里，都重新定義了新的最佳紀(jì)錄，即準(zhǔn)確度比迄今為止使用不同原子鐘進(jìn)行的任何比較都精確10倍”。

這樣測(cè)量確實(shí)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿N類型的原子以截然不同的頻率“滴答作響”，并且需要實(shí)驗(yàn)組件以極高的精度運(yùn)作，尤其是自由光鏈路要求尖端的激光設(shè)計(jì)，而光學(xué)頻率梳則是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)。

圖2：NIST研究人員通過(guò)光纖和自由空間鏈路精確比較了來(lái)自三個(gè)光學(xué)原子鐘（Yb/Al+ Mg+/Sr）的信號(hào)。

圖源：N. Hanacek/NIST

這樣的測(cè)時(shí)系統(tǒng)在從股票交易到導(dǎo)航等不同領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用。比如，全球定位系統(tǒng) (GPS) 衛(wèi)星和地面接收器來(lái)回發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，并使用這些信號(hào)的時(shí)間差來(lái)定位用戶的位置?？茖W(xué)家們希望將來(lái)在導(dǎo)航衛(wèi)星上能夠安裝光學(xué)原子鐘，提升定位系統(tǒng)性能，達(dá)到厘米級(jí)別的精準(zhǔn)度。

尋找類地行星

我們知道，與其圍繞運(yùn)動(dòng)的恒星相比，任何行星都是極其微弱的光源。

舉個(gè)例子，像太陽(yáng)這類恒星的亮度大約是太陽(yáng)系內(nèi)其他任何行星反射光的十億倍左右。為了尋找圍繞遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)行的類地行星，天文學(xué)家需要借助間接的探測(cè)辦法。

比如，恒星的內(nèi)核發(fā)射白光，但當(dāng)它們到達(dá)地球大氣后，會(huì)被其中某些具有窄色帶吸收峰的元素改變光譜性質(zhì)。

天文學(xué)家則是分析和利用這種特殊“指紋”的周期性變化，即恒星光譜隨時(shí)間的微小區(qū)別，來(lái)探索該恒星系中隱藏的行星，因?yàn)檫@些光譜的變化正是由于恒星被一顆看不見(jiàn)的軌道行星的引力拉來(lái)拉去造成的。而這種變化是十分微妙的，并且測(cè)量常常受到用于校準(zhǔn)光譜儀的頻率標(biāo)準(zhǔn)的限制。

在過(guò)去的20年里，NIST研究人員引領(lǐng)了光學(xué)頻率梳的發(fā)展。其交付到德克薩斯州霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡（Hobby-Eberly）望遠(yuǎn)鏡的“天文梳（astrocomb）”確保了恒星光的分析精度，并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的恒星光測(cè)量。

“根據(jù)探測(cè)器光譜儀量身定制的光學(xué)頻率梳立即讓我們?cè)谫e夕法尼亞州立大學(xué)的同事能夠進(jìn)行他們之前無(wú)法進(jìn)行的測(cè)量，”NIST的研究人員Scott Diddams說(shuō)?！斑@些改進(jìn)的工具應(yīng)該能讓我們?cè)阢y河系中無(wú)處不在的恒星周圍找到人類宜居的行星?！?

文章中收集的數(shù)據(jù)表明，“天文梳”將有可能探測(cè)到類似地球質(zhì)量的行星對(duì)恒星光譜的改變，并且至少比以前的技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的性能要好10倍。

圖3：類地行星探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝備，由電光“天文梳”，望遠(yuǎn)鏡和光譜分析儀組成。

圖源：NIST

量子極限下的精確距離測(cè)量

自從發(fā)明后不久，光學(xué)頻率梳就被用在實(shí)現(xiàn)高度精確的距離測(cè)量。在以前，人們使用雷達(dá)無(wú)線電波來(lái)確定距離，根據(jù)信號(hào)的脈沖寬度，它的精確度從幾厘米到幾米不等。在最近，來(lái)自頻率梳的光脈沖因?yàn)楣庾V范圍很廣而比無(wú)線電波短得多，有可能使測(cè)量精確達(dá)到納米范圍，甚至亞納米范圍——即使當(dāng)探測(cè)器距離目標(biāo)數(shù)公里之外時(shí)亦是如此。

一般來(lái)說(shuō)，使用光學(xué)頻率梳進(jìn)行距離測(cè)量需要兩個(gè)頻率梳，它們的激光脈沖緊密相干協(xié)調(diào)。在時(shí)域上，雙光學(xué)頻率梳類似于游標(biāo)測(cè)尺，兩個(gè)頻率梳激光器具有一定偏差的脈沖重復(fù)周期，基于時(shí)間飛行法進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，主頻率梳激光器為主測(cè)尺，副的則為游標(biāo)尺，而游標(biāo)尺可實(shí)現(xiàn)小數(shù)位的精確測(cè)量。

然而，這種高精度帶來(lái)的限制與探測(cè)器需要接收的光子個(gè)數(shù)有關(guān)，檢測(cè)到的光子越多意味著發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)快速變化的能力越強(qiáng)。

根據(jù)雙頻率梳的設(shè)計(jì)原理，探測(cè)器只能記錄那些與副頻率梳激光器的脈沖同時(shí)到達(dá)的，但來(lái)自于主光頻梳激光器的光子。

由于兩個(gè)頻率梳激光器重復(fù)周期的輕微偏移，這些脈沖重疊之間存在相對(duì)較長(zhǎng)的“死區(qū)時(shí)間”，到達(dá)重疊之間的任何光子都丟失了信息，對(duì)測(cè)量工作毫無(wú)用處，這使得一些目標(biāo)很難被看到。

NIST的研究人員最近創(chuàng)新地提出了一種使用頻率梳技術(shù)的新方法——“時(shí)間可編程頻率梳”，即通過(guò)操縱光脈沖的時(shí)域性質(zhì)可以幫助光學(xué)頻率梳在比以往更廣泛的條件下進(jìn)行精確測(cè)量。

“我們基本上打破了要求頻率梳使用固定脈沖間隔進(jìn)行精確操作的規(guī)則。”該論文的作者之一，NIST的研究人員Laura Sinclair解釋道：“通過(guò)改變我們控制頻率梳的方式，我們已經(jīng)擺脫了必須做出的權(quán)衡取舍，所以即使現(xiàn)在我們的系統(tǒng)只有一點(diǎn)點(diǎn)光也可以獲得高精度的結(jié)果?！?

在“量子極限”下進(jìn)行測(cè)量，在物理學(xué)家們的語(yǔ)境下意味著他們不浪費(fèi)每一個(gè)攜帶有用信息的可用光子。但迄今為止，頻率梳技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到該量子極限。

“頻率梳通常用于以極高的精度測(cè)量距離和時(shí)間等物理量，但大多數(shù)測(cè)量技術(shù)浪費(fèi)了絕大部分的光，99.99%或更多，”辛克萊說(shuō)?！跋喾?，我們已經(jīng)證明，通過(guò)使用時(shí)間可編程頻率梳，是可以消除這種浪費(fèi)的。”

在文章中，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出控制副光頻梳脈沖的方案。也就是說(shuō)，通過(guò)數(shù)字控制電路技術(shù)，使得副光頻梳脈沖“鎖定”返回的主光頻梳脈沖信號(hào)——兩個(gè)脈沖重疊，進(jìn)而消除了以前的采樣方法產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間。

盡管脈沖持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，僅為它們之間死區(qū)時(shí)間的0.01%，如同“大海撈針”，但仍然可以利用高精度的數(shù)字控制電路調(diào)整脈沖輸出，最終讓兩個(gè)脈沖重新對(duì)齊。

圖4：使用雙頻率梳進(jìn)行距離測(cè)量的原理示意圖。

來(lái)自其中一個(gè)頻率梳激光器（F1）的脈沖，就像雷達(dá)使用無(wú)線電波一樣，進(jìn)入測(cè)距干涉儀后被遠(yuǎn)處的物體反射回來(lái)，而另一個(gè)頻率梳激光器（F2）在重復(fù)周期上略有偏移，用于測(cè)量經(jīng)干涉儀光頻梳的相移，從而實(shí)現(xiàn)快速、大量程和高精度的絕對(duì)距離測(cè)量。最下面是利用數(shù)字控制電路，調(diào)整F2的脈沖輸出，達(dá)到使兩者脈沖重疊的效果。

圖源：B. Hayes/NIST

與標(biāo)準(zhǔn)雙梳測(cè)距相比，該項(xiàng)工作所需的接收光子功率顯著減少了37 dB，換句話說(shuō)，只需要以前所需光子的0.02%左右。這項(xiàng)創(chuàng)新甚至可以實(shí)現(xiàn)未來(lái)對(duì)遙遠(yuǎn)衛(wèi)星的納米級(jí)測(cè)量，具有無(wú)限的潛力。

探測(cè)溫室氣體

不同的原子和分子可以通過(guò)它們各自迥異的吸收光譜來(lái)識(shí)別。由于光學(xué)頻率梳在短脈沖中產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)個(gè)頻率，因此可用于快速，高精度，寬范圍地探測(cè)各種分子和原子的含量。

但是，空氣中主要的三種溫室氣體，一氧化二氮（N?O），二氧化碳（CO?），水蒸氣和主要的兩種空氣污染物臭氧（O?）和一氧化碳（CO），它們的光譜“指紋”大部分集中在中紅外波段內(nèi)，目前缺少有效的光頻梳激光器。

NIST的研究人員為了獲得中紅外的光頻梳激光器，使用了一種特殊設(shè)計(jì)的晶體材料——周期性極化鈮酸鋰（PPLN），從而實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

該項(xiàng)工作中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將來(lái)自一個(gè)近紅外的光頻梳分成兩路，使用特殊的光纖和放大器對(duì)每個(gè)分路的光譜進(jìn)行不同程度的展寬和偏移并提高功率，然后在晶體中重新組合這兩個(gè)分路。這樣產(chǎn)生的較低頻率（較長(zhǎng)波長(zhǎng)）的中紅外光，就是兩個(gè)分路中頻率之間的差值。

研究人員在長(zhǎng)度為600米和2公里的往返路徑上演示了該探測(cè)系統(tǒng)。來(lái)自兩個(gè)光學(xué)頻率梳的光在光纖中合束，并從一個(gè)位于NIST大樓頂部的望遠(yuǎn)鏡向外傳輸。

其中一束被發(fā)送到位于另一座建筑物陽(yáng)臺(tái)上的反射器上，另外一束被發(fā)送到附近山上的反射器上。通過(guò)收集分析返回的光頻梳性質(zhì)，以識(shí)別空氣中的不同溫室氣體。

醫(yī)療診斷

在寒冷冬日的呼氣中，您會(huì)看到水蒸氣從嘴里冒出來(lái)。請(qǐng)注意，如果使用光學(xué)頻率梳來(lái)分析您的呼吸氣體成分，可能1000多種微量化合物就會(huì)被檢測(cè)出來(lái)，其中一些化合物可提供疾病的早期預(yù)警信號(hào)。

由NIST和實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的研究人員Jun Ye領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了一種即時(shí)識(shí)別呼吸中不同微量成分的光學(xué)技術(shù)，有可能成為一種快速、低成本的疾病篩查工具。

“想象如果能夠一次性分析出一個(gè)人呼吸中所有主要生物標(biāo)志物的潛力是令人興奮的，” Jun Ye說(shuō)：“例如，一氧化氮可以指示哮喘，但它也會(huì)與許多其他肺部疾病一起出現(xiàn)在呼吸中，包括囊性纖維化和支氣管擴(kuò)張癥。

但是，假設(shè)我們同時(shí)監(jiān)測(cè)一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、過(guò)氧化氫（H?O?）、亞硝酸鹽（NO??）、硝酸鹽（NO3?）、戊烷（C?H??）和乙烷（C?H?），這些都是哮喘的重要生物標(biāo)志物，我們便可以更加確定地診斷出這種重要疾病?！?/p>

該實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)測(cè)量光學(xué)頻率梳來(lái)回穿過(guò)裝入鏡面玻璃管中的呼吸樣本后的光譜參數(shù)來(lái)確認(rèn)化學(xué)成分，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)萬(wàn)億分之一水平的檢測(cè)靈敏度。

“小，快，靈”的集成光學(xué)頻率梳

為了更加便捷地利用光學(xué)頻率梳的優(yōu)勢(shì)，人們把目光投向了集成光路技術(shù)。在之前，傳統(tǒng)的集成光學(xué)里相對(duì)單一的材料選擇嚴(yán)重制約了光子芯片的性能。但得益于集成技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)頻率梳這一復(fù)雜的多材料體系如今能夠在晶圓級(jí)的光子芯片上得以實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)著其從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界的巨大跨越。

當(dāng)前集成光學(xué)頻率梳器件分為兩類：基于III-V族半導(dǎo)體激光器的集成半導(dǎo)體鎖模激光器和基于低損耗高非線性材料的集成非線性光頻梳器件。這兩者的根本區(qū)別在于前者使用直接電泵浦，而后者是通過(guò)光泵浦實(shí)現(xiàn)的。

目前，該技術(shù)已經(jīng)在降低系統(tǒng)尺寸，重量，功耗和成本上取得了引人注目的成就。通過(guò)使用現(xiàn)代制造設(shè)備，即依托先進(jìn)光刻和微納制造工藝，集成光學(xué)頻率梳在各項(xiàng)性能上與基于傳統(tǒng)材料或光纖的頻率梳已無(wú)明顯差距。

圖7：集成光頻合成器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由磷化銦。砷化鎵、硅和氮化硅等多材料集成而來(lái)，不同的材料體系在集成光路上起著不同的作用，進(jìn)而在系統(tǒng)層面帶來(lái)最優(yōu)的性能。 圖源：Nature Photonics 16, no. 2 (2022): 95-108

可以想象，在不久的將來(lái)，晶圓級(jí)集成光學(xué)頻率梳的商業(yè)產(chǎn)品將隨處可見(jiàn)。比如，在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的密集波分復(fù)用光互連網(wǎng)絡(luò)中，光學(xué)頻率梳，光學(xué)收發(fā)機(jī)和微電子技術(shù)的集成將使數(shù)據(jù)鏈路具備前所未有的帶寬，效率和覆蓋范圍。再如，在未來(lái)自動(dòng)駕駛中的激光雷達(dá)技術(shù)，通過(guò)集成光學(xué)頻率梳所實(shí)現(xiàn)的并行雷達(dá)體系，將大大提升系統(tǒng)的采樣速度，與此同時(shí)降低硬件成本，從而解決該領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)在探測(cè)方面的瓶頸。

審核編輯：劉清