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，波長在1545-1565nm,脈沖寬度250fs； 重復(fù)頻率越高價格越高。

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？

對于第一個問題，“為什么要采用高重復(fù)頻率的飛秒激光器搭建光頻梳"?大致來源于一個由來已久的誤會。很簡單，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，對于Menhir廠家的產(chǎn)品而言，重頻越高則激光器價格越高。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

上面的誤會就可能是來源于圖2的這個截圖，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。請看同一篇文章內(nèi)的下面這個圖：

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

在圖3.中，左邊是一個單獨(dú)的飛秒脈沖，把時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不同，在圖3.里面很形象的把波長不同表現(xiàn)為顏色不同。那么對于觀察者“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，需要一個有足夠高光譜分辨率的光譜儀替代人眼做測試才能辦的到。而且反過來說也同樣成立，一個足夠穩(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"里面提及的Zepren公司超高分辨率布里淵散射光譜儀BOSA用于測試與評估1 GHz光頻梳。對于后者，也同樣舉一個例子：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)，在這個應(yīng)用中筆者看到的應(yīng)要求是，由于即使是天文級別大口徑長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超高分辨率中階梯光譜儀的校準(zhǔn)。我們知道，對于光譜儀校準(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)波長校準(zhǔn)，然后再用計算的方式延展到光譜儀其他波長點(diǎn)。而如果利用光頻梳做為校準(zhǔn)源的話，有一個顯見的好處是可以同時校準(zhǔn)到梳齒點(diǎn)代表的所有波長點(diǎn)。那么對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，則可分配到每一個梳齒的功率或能量都會等比下降。反而言之，梳齒間隔越寬的光頻梳，可分配到每個獨(dú)立的梳齒上的功率或能量則可以越高。而對于利用光頻梳做光譜校準(zhǔn)，做時頻標(biāo)準(zhǔn)傳遞，做微波頻率信號發(fā)生，做速度與距離測試等若干應(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的光信號（我們稱之為信道），鋪設(shè)一個廣域光纖通訊網(wǎng)絡(luò)耗資動輒十億記，而隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，需要傳遞的信息增長量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)行硬件系統(tǒng)的既有帶寬，那么如何解決這個問題呢？一個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激光器即可同時涵蓋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，而對于光頻梳而言，其波長的漂移遠(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)。

對于一些基于光頻梳的微量氣體檢測的應(yīng)用也是相當(dāng)有趣的，我們知道現(xiàn)行基于光學(xué)的氣體檢測有一個發(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法，即針對與特定氣體的光譜吸收峰，調(diào)諧一臺窄線寬半導(dǎo)體激光器的輸出波長到氣體吸收峰，利用單點(diǎn)探測器接收信號，通過測試吸收光譜來計算特定氣體的含量。而基于光頻梳的氣體吸收檢測系統(tǒng)的有趣點(diǎn)在于，由于光頻梳的梳齒可以涵蓋一個很寬的光譜范圍，那么掃描一個光頻梳則可以同時涵蓋若干臺可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的掃描范圍，可以同時完成若干個氣體組分的檢測。但在架構(gòu)光譜檢測系統(tǒng)時同樣也遇到了問題，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)探測器采集時域的信號，再利用快速傅里葉變換算法計算出頻率域也就是波長域的吸收光譜。一般而言，會采用兩臺重頻相似的激光制備兩臺梳齒結(jié)構(gòu)相近的光頻梳，組成一套異步掃描雙光梳光譜檢測儀，用單點(diǎn)探測器檢測時域信號后，再用快速傅里葉算法計算回吸收光譜信息。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，對于FTIR而言，其掃描行程越長，做快速傅里葉變換后實(shí)現(xiàn)的光譜分辨率就越高（當(dāng)然耗時也越長）。而對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梳齒之間的間隔。同樣的，梳齒間隔越長，則梳齒掃描行程越長，通過快速傅里葉變換計算后，后可實(shí)現(xiàn)的光譜分辨率就越高。而且由于單個梳齒的強(qiáng)度更高，測試吸收的信噪比也會更高。

對于所有檢測系統(tǒng)而言，多次積分平均是提升檢測系統(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，由于泵浦端信號重復(fù)頻率高，則時域探測器的探測端可以在同樣時間段內(nèi)做更多次數(shù)的積分平均，無疑會大幅度的提升測試信噪比。

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級別重復(fù)頻率的光纖飛秒激光器有什么優(yōu)勢呢？

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)定性與操作簡易程度碾壓級別的優(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，純光纖架構(gòu)占比越高則其穩(wěn)定性與操作簡便度越高。在這里需要感謝數(shù)以千億美元計算的光纖通訊產(chǎn)業(yè)在30多年以來的長足發(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別的穩(wěn)定，簡便，高效，兼容與廉價，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。所以相對而言，光纖激光器作為激光器制備產(chǎn)業(yè)里面一個新興的分支，由于站在了巨人的肩膀上，在穩(wěn)定，簡便，高效，兼容與廉價上極其迅速的以碾壓級別的優(yōu)勢超越的傳統(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，其木桶短板絕對不會是Menhir激光器，對于用戶而言，Menhir就是放心，高效與簡便的同義詞。

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