为什么采用Menhir公司的GHz光纤飞秒激光器搭建光梳

无论是实验室自搭，建还是高科技公司商品化的基于锁模飞秒激光器的光频梳，其飞秒激光器部分都是整个光梳系统内硬件成本占比最高的部分。其中瑞士Menhir公司的GHz重复频率的光纤飞秒激光器在搭建GHz大梳齿间隔的光频梳应用上为广大科研以及OEM用户所接受与推崇。其常用产品分为250MHz，1GHz，2.5GHz三种重复频率的型号，波长在1545-1565nm,脉冲宽度250fs； 重复频率越高价格越高。

图1.瑞士Menhir公司1550nm 1GHz重频光纤飞秒激光器

那么很自然的就引出了两个问题：

为什么要采用高重复频率的飞秒激光器搭建光频梳？

为什么要采用瑞士Menhir的光纤飞秒激光器搭建光频梳？

 对于第一个问题，“为什么要采用高重复频率的飞秒激光器搭建光频梳”?大致来源于一个由来已久的误会。很简单，如果用锁模飞秒激光器架构光频梳，光频梳的梳齿间距就是飞秒激光器自身的重复频率。也就是说250MHz重复频率的飞秒激光器可以用来搭建250MHz梳齿间距的光频梳，而1GHz重复频率的飞秒激光器可以用来搭建1GHz梳齿间距的光频梳。小编说过，对于Menhir厂家的产品而言，重频越高则激光器价格越高。那么，光频梳难道不是梳齿越精细越好么？我还有什么理由买更贵的激光搭建梳齿间隔更宽的光频梳呢？

就光频梳的科普文章，小编不敢班门弄斧，建议大家参考一篇科普文章，Dr. Steven Cundiff, Jun Ye and John Hall 发表在Scientific American的 "Ruler of the light" . 在这里，就不引用其文字，而主要引用其文章内几张很有代表性的图片。

图2. Scientific American科普文章"Ruler of the light"的截图

上面的误会就可能是来源于图2的这个截图，光频梳就可以被看作一把在光频率域上的尺子，那么难道不是尺子刻度越精细越好么？哈哈，还真不是。请看同一篇文章内的下面这个图：

图3. Scientific American科普文章"Ruler of the light"的截图

在图3.中，左边是一个单独的飞秒脉冲，把时间域的飞秒脉冲从频率域（也就是光谱域）来观察的话，就是一个有一定带宽的光谱，脉冲宽度越短则光谱带宽越宽。而如果能够做到一系列飞秒脉冲的载波包络偏移频率f_ceo,以及这一系列飞秒脉冲的重复频率f_feq 保持稳定的话，则这一系列飞秒脉冲串在频率域观察的话，就可以形成不仅仅初始频率稳定，而且其频率间隔也稳定且美妙的光频梳结构。在这里面就要强调了，考察光频梳优劣最主要的是，要求光频梳“稳和强”而并非是梳齿结构的“细”。为什么呢？

请观察图3.的右下部分，光频梳其实就是一系列在频率域上等间距的光谱线输出，频率不同也就是波长不同，在图3.里面很形象的把波长不同表现为颜色不同。那么对于观察者“人”而言，准确的辨别出这些不同的颜色需要什么呢？肉眼是做不到的，需要一个有足够高光谱分辨率的光谱仪替代人眼做测试才能办的到。而且反过来说也同样成立，一个足够稳定的光频梳，可以用于校准高分辨率的光谱仪。对于前者，可以参考我司的另外一篇文章“高分辨率光频梳检测”里面提及的Zepren公司超高分辨率布里渊散射光谱仪BOSA用于测试与评估1 GHz光频梳。对于后者，也同样举一个例子：天文应用的超高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光谱校准，在这个应用中笔者看到的应要求是，由于即使是天文级别大口径长焦距中阶梯光栅光谱仪，其光谱分辨率也做不到GHz以下，所以为了做校准，科学家特殊架构了30GHz梳齿间距的光频梳才真正做好了这台超高分辨率中阶梯光谱仪的校准。我们知道，对于光谱仪校准而言，最经典也是最传统的方式是利用低压汞灯等具备稳定且狭窄原子发射谱线的光源做光谱仪单点波长校准，然后再用计算的方式延展到光谱仪其他波长点。而如果利用光频梳做为校准源的话，有一个显见的好处是可以同时校准到梳齿点代表的所有波长点。那么对于光频梳本身有什么要求呢？第一是要具备汞灯输出线一样，甚至更好的波长稳定而且强的输出线，第二是梳齿间隔要做到足够的宽这样才有可能让待校准的光谱仪能够分辨出来。这就是大梳齿间距光频梳的需求点。

我们知道，对于某一光频梳的总输出功率而言，梳齿数越多，则可分配到每一个梳齿的功率或能量都会等比下降。反而言之，梳齿间隔越宽的光频梳，可分配到每个独立的梳齿上的功率或能量则可以越高。而对于利用光频梳做光谱校准，做时频标准传递，做微波频率信号发生，做速度与距离测试等若干应用而言，梳齿强度越高则信噪比可以做到越高。在这里，光频梳梳齿间隔宽还有一个更有意思的潜在应用：DWDM密集波分复用。我们知道，光纤通讯中一根单模光纤里面可以跑很多不同波长的光信号（我们称之为信道），铺设一个广域光纤通讯网络耗资动辄十亿记，而随着互联网的飞速发展，需要传递的信息增长量会远远超过现行硬件系统的既有带宽，那么如何解决这个问题呢？一个多快好省的解决方案是利用现有光纤网络，尽可能加大每根光纤内能够传导的信道数，这就是所谓DWDM密集波分复用。光频梳就是一个极其有趣的未来DWDM密集波分复用光源，首先光频梳本身有望做到基于一台激光器即可同时涵盖DWDM密集波分复用的所有通讯信道，也就是有望大大的降低通信信道光源成本，其次密集波分复用为了避免由于信源波长的漂移与展宽导致的信道串扰，必须保证一定的信道间距，从而导致了光纤内可容纳的总信道数受到限制，而对于光频梳而言，其波长的漂移远低于传统的窄线宽半导体激光器，而且就算是有一点点频率漂移，其每个梳齿的频率漂移无论是方向还是漂移量是完全一致的，等于天生的具备超强的抗串扰能力。如此来说，基于光频梳的DWDM密集波分复用系统则有望做到更高的信道密度且更低廉的成本。当然，现在2.5GHz的Menhir激光器架构的光频梳还达不到DWDM密集波分复用应用的要求，我们知道Menhir现行标准激光型号直接架构的光频梳其梳齿间隔上限是2.5GHz，而查阅现行密集波分复用信道参数，其信道间隔标准是200GHz，100GHz和50GHz三档，如何有效的填补这个频率上的间隔，科学家主要是致力于更宽梳齿间隔的光频梳研发。

对于一些基于光频梳的微量气体检测的应用也是相当有趣的，我们知道现行基于光学的气体检测有一个发展已经非常成熟的TDLAS可调谐半导体激光器吸收光谱检测法，即针对与特定气体的光谱吸收峰，调谐一台窄线宽半导体激光器的输出波长到气体吸收峰，利用单点探测器接收信号，通过测试吸收光谱来计算特定气体的含量。而基于光频梳的气体吸收检测系统的有趣点在于，由于光频梳的梳齿可以涵盖一个很宽的光谱范围，那么扫描一个光频梳则可以同时涵盖若干台可调谐半导体激光器的扫描范围，可以同时完成若干个气体组分的检测。但在架构光谱检测系统时同样也遇到了问题，常规的多通道光谱分析仪OSA是不可能做到光频梳GHz甚至是MHz的光谱分辨率的。一个可行的解决方案是参考FTIR傅里叶变换红外光谱仪的扫描干涉架构，利用单点探测器采集时域的信号，再利用快速傅里叶变换算法计算出频率域也就是波长域的吸收光谱。一般而言，会采用两台重频相似的激光制备两台梳齿结构相近的光频梳，组成一套异步扫描双光梳光谱检测仪，用单点探测器检测时域信号后，再用快速傅里叶算法计算回吸收光谱信息。在这里就可以参照FTIR快速傅里叶变换光谱仪的性能规律了，对于FTIR而言，其扫描行程越长，做快速傅里叶变换后实现的光谱分辨率就越高（当然耗时也越长）。而对于异步扫描双光频梳而言，其异步扫描的最大行程是光频梳的单个梳齿之间的间隔。同样的，梳齿间隔越长，则梳齿扫描行程越长，通过快速傅里叶变换计算后，后可实现的光谱分辨率就越高。而且由于单个梳齿的强度更高，测试吸收的信噪比也会更高。

对于所有检测系统而言，多次积分平均是提升检测系统信噪比最直接有效的方式，而利用高重复频率飞秒激光架构的宽梳齿光频梳，由于泵浦端信号重复频率高，则时域探测器的探测端可以在同样时间段内做更多次数的积分平均，无疑会大幅度的提升测试信噪比。

综上，我们列举了一些基于高重复频率飞秒激光器架构宽梳齿结构光频梳的优点，那么瑞士Menhir公司的1550nm,GHz级别重复频率的光纤飞秒激光器有什么优势呢？

首先当然是Menhir公司的光纤飞秒激光器重复频率高（标准型号有250MHz，1GHz,2.5GHz）三种可选，前文已经有很大篇幅列举了高重复频率飞秒激光器架构大梳齿间距光频梳的好处。

考察现行光频梳的制备方法，基于锁模飞秒激光器制备的光频梳是最传统的制备方式，优点是功率高，波长范围宽，商品化程度最高。而新进发展的诸如光学微腔与波导等的光频梳优点在于能耗低，体积小，对未来高集成度，微小体积光频梳系统非常有利，但系统功率强度与商品化稳定性现在还弱很多。而对于现在稳定性与商品化程度最高的基于锁模飞秒激光器制备的光频梳而言，光纤飞秒激光器的稳定性与操作简易程度碾压级别的优于基于钛宝石激光器的锁模飞秒激光器。在光纤飞秒激光器内部再进行横评，纯光纤架构占比越高则其稳定性与操作简便度越高。在这里需要感谢数以千亿美元计算的光纤通讯产业在30多年以来的长足发展，在光纤光波导相关的常规与特种材料，光纤熔接或波导器件耦合技术与零件/器件制备与品质控制等方面均做到了神一般级别的稳定，简便，高效，兼容与廉价，这一点是部分还停留在手工作坊阶段的激光器生产产业完全望尘莫及的。所以相对而言，光纤激光器作为激光器制备产业里面一个新兴的分支，由于站在了巨人的肩膀上，在稳定，简便，高效，兼容与廉价上极其迅速的以碾压级别的优势超越的传统激光器制备行业。Menhir公司的光纤飞秒激光器其内部器件是采用稳定性最高的熔接形式固定，而光纤熔接法是光器件与光波导耦合形式里机械稳定性最高，抗环境干扰能力最强的耦合形式。Menhir公司有一个视频，有人用锤子大力击打工作状态下的Menhir-1550 GHz高重复频率光纤飞秒激光器本体，用旁边的光谱检测仪做观察，显示其光谱位置与功率输出均非常稳定，说明其锁模状态非常稳定，抗冲击抗干扰能力超群。可以讲，从木桶原则看，基于Menhir公司光纤飞秒激光器架构的光频梳，其木桶短板绝对不会是Menhir激光器，对于用户而言，Menhir就是放心，高效与简便的同义词。

本文参考文献：

1. 《Ruler of the light》，Scientific American杂志2008，作者： Steven Cundiff, Jun Ye and John Hall
2. 《Simplified offset stabilization of a low-noise 1 GHz oscillator》，文章所属权;Menhir公司，Octave公司，Vescent公司