光學(xué)頻率梳空間應(yīng)用及研究進(jìn)展

馬 西,趙衛(wèi)崗,康文超,譚慶貴

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

光學(xué)頻率梳(簡(jiǎn)稱光頻梳,optical frequency comb,OFC)技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代,最初的目的是利用超短脈沖激光聯(lián)系微波頻標(biāo)與光學(xué)頻標(biāo)以實(shí)現(xiàn)光頻的絕對(duì)頻率測(cè)量,但受限于早期鎖模激光器的光譜寬度和穩(wěn)定度而未得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-2]。自2005年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Hall和H?nsch[3-4]教授團(tuán)隊(duì)分別實(shí)現(xiàn)了覆蓋一個(gè)倍頻程范圍的超連續(xù)譜輸出,以及重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的鎖定后,頻率鎖定的光頻梳邁出了實(shí)用化過程中的關(guān)鍵一步。過去20多年里,其在產(chǎn)生原理、調(diào)控方案、工程應(yīng)用等諸多領(lǐng)域得到了長足發(fā)展[5-6],進(jìn)一步推進(jìn)了光頻梳關(guān)鍵參數(shù)的提升以及工程應(yīng)用可能性的提高。

原理上,光頻梳在頻域上表現(xiàn)為一系列等間隔的相干頻率梳齒,由重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率表征[7-9];時(shí)域上表現(xiàn)為一系列等間隔的飛秒脈沖,光脈沖序列與光譜滿足傅里葉變換關(guān)系[10-12],其光譜覆蓋范圍極廣,可達(dá)數(shù)百THz,單根梳齒線寬極窄,可被壓縮至Hz量級(jí)[13-19]。同時(shí),通過對(duì)光頻梳的調(diào)諧,可將其光譜覆蓋范圍內(nèi)的所有頻率鎖定至已知精確穩(wěn)定的微波頻率基準(zhǔn),例如由原子鐘提供的微波頻率,從而建立起光波頻率和微波頻率之間的直接聯(lián)系[7-9]。此時(shí),光頻梳便可充當(dāng)光學(xué)頻段的頻率綜合發(fā)生器,為絕對(duì)光學(xué)頻率的測(cè)量和標(biāo)定提供極大的便利和精度[10-13]。如圖1所示,呈現(xiàn)了光頻梳在時(shí)域和頻域上的表現(xiàn),并展示了其相關(guān)的表征參數(shù)。

圖1 光學(xué)頻率梳的時(shí)域、頻域特性及聯(lián)系微波頻率原理示意圖[5]Fig.1 Schematic illustration of the OFC time-frequency domain characteristics and the relationship between optical frequencies and microwave frequencies

此外,圖中還展示了光頻梳在時(shí)域和頻域之間的傅里葉變換關(guān)系,進(jìn)一步說明了建立光波頻率和微波頻率之間聯(lián)系的原理。以上優(yōu)異的性能為其應(yīng)用層面打下了良好的基礎(chǔ),以空間領(lǐng)域應(yīng)用為例:作為時(shí)間頻率“最準(zhǔn)的尺”,通過雙光子吸收等一系列物理效應(yīng),將第一主族或者第二主族原子氣體的躍遷譜線精確鎖定至光頻梳的特定頻率分量,借助于高頻高點(diǎn)探測(cè)設(shè)備,通過光電下轉(zhuǎn)換的方式便可實(shí)現(xiàn)原子躍遷譜線量級(jí)的高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)[20-28];因其具有10～18量級(jí)的頻率穩(wěn)定度和飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨率,可對(duì)所獲得的高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)進(jìn)行高速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地比對(duì)、傳遞與分發(fā),從而建立精確穩(wěn)定的全球范圍的時(shí)鐘比對(duì)網(wǎng)絡(luò)和天基時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)[29-40];而其時(shí)域超短脈沖和頻域?qū)捁庾V、窄線寬的特性可進(jìn)行飛行時(shí)間信息和相位干涉信息的同時(shí)獲取,從而實(shí)現(xiàn)大尺度、高精度、高幀速、多維度的精密測(cè)量[41-49];其高重頻、寬光譜、低相噪、高相干的頻域特性可作為性能優(yōu)異的多波長相干光源在大容量高速光通信系統(tǒng)中提供高容量通信信道[50-57]。

1 光學(xué)頻率梳產(chǎn)生方法

光頻梳起源于超短脈沖鎖模激光器,其關(guān)鍵在于產(chǎn)生穩(wěn)定的超短激光脈沖序列。每個(gè)激光脈沖的特性由其載波和包絡(luò)決定,脈沖序列之間的時(shí)間間隔為重復(fù)頻率的倒數(shù)。由于激光器內(nèi)部群速度和相速度的差異,導(dǎo)致脈沖的載波和包絡(luò)移動(dòng)速度不同,從而產(chǎn)生載波包絡(luò)相移現(xiàn)象,反映在頻譜上即為光頻梳的第一根梳齒相對(duì)零頻產(chǎn)生了載波包絡(luò)偏移頻率。因此,探測(cè)和鎖定重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率是實(shí)現(xiàn)光頻梳穩(wěn)頻鎖頻的關(guān)鍵[3-4]。2000年,Hall[8]教授團(tuán)隊(duì)利用摻鈦藍(lán)寶石固體激光器實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)頻率鎖定的光頻梳裝置,基于固體鎖模激光器的光頻梳系統(tǒng)具有精度高、噪聲低、脈沖能量高的特點(diǎn),但因鎖模和調(diào)控需要復(fù)雜的反饋控制電路,整個(gè)系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂,這使其難以在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行[9]。

和固體飛秒鎖模激光器光頻梳系統(tǒng)相比,基于光纖鎖模激光器的飛秒光纖光頻梳(簡(jiǎn)稱光纖光梳)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可集成、易維護(hù)、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),是目前技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用最廣泛、工程實(shí)用化程度最高的技術(shù)方案[10]。2004年,Washburn等[11]基于摻餌光纖飛秒鎖模激光器,結(jié)合高非線性光纖產(chǎn)生倍頻程帶寬的超連續(xù)譜,并通過載波包絡(luò)偏移頻率的f-2f自參考鎖定方法成功研制了近紅外波段光纖光梳系統(tǒng),如圖2所示為載波包絡(luò)偏移頻率的f-2f自參考鎖定原理。光纖光梳的關(guān)鍵在于鎖模機(jī)制和超連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)制,鎖模機(jī)制的代表性方案有可飽和吸收鏡鎖模、非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模和非線性放大環(huán)路鏡鎖模;超連續(xù)譜可通過光子晶體光纖、拉錐光纖和高非線性波導(dǎo)產(chǎn)生[12]。光纖光梳的優(yōu)點(diǎn)在于長期工作穩(wěn)定,可在較長時(shí)間內(nèi)提供可靠的性能。其次,相較其他光頻梳系統(tǒng),光纖光梳采用了光纖器件和標(biāo)準(zhǔn)光纖連接技術(shù),因而成本較低,且更易進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和規(guī)模化應(yīng)用。此外,光纖光梳具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,可與現(xiàn)有的光纖系統(tǒng)集成,為各應(yīng)用領(lǐng)域提供靈活的解決方案。然而,光纖光梳也存在一些挑戰(zhàn)和限制。由于其高度敏感性,易受應(yīng)變、溫度、濕度和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境變化以及泵浦輸出功率擾動(dòng)的影響使輸出信號(hào)混入來源復(fù)雜的噪聲,因此除去必要的溫度控制和振動(dòng)隔離外,其本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需更加緊湊穩(wěn)定,并需要采取有效的鎖定方案和噪聲抑制措施。

圖2 光學(xué)頻率梳載波包絡(luò)偏移頻率自參考探測(cè)原理示意圖[5]Fig.2 Schematic illustration of the OFC offset frequency detection via self-referencing[5]

電光調(diào)制光頻梳(簡(jiǎn)稱電光梳)成本低且易于復(fù)現(xiàn),是目前唯一實(shí)現(xiàn)靈敏調(diào)節(jié)中心波長和重復(fù)頻率的光頻梳方案。該方案基于電光調(diào)制原理,通過外加射頻信號(hào)調(diào)制光載波使光載波兩端出現(xiàn)等間隔分布的頻率梳齒,由此可將光頻梳的重復(fù)頻率與射頻源相關(guān)聯(lián),從而通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率實(shí)現(xiàn)精確、快速的調(diào)節(jié)。此外,電光梳可通過級(jí)聯(lián)多個(gè)電光調(diào)制器以滿足分辨率、量程、平坦度和動(dòng)態(tài)范圍等多項(xiàng)指標(biāo)要求,進(jìn)而與陣列信號(hào)處理、波分復(fù)用器件、光學(xué)信道化等應(yīng)用條件相匹配[13]。但電光梳方案也存在一些局限性,例如會(huì)引入電學(xué)噪聲,并且受限于射頻源和電光調(diào)制器性能,生成的光譜范圍較小,重復(fù)頻率偏低。為克服以上限制,研究人員致力于對(duì)電光梳進(jìn)行頻譜擴(kuò)展、梳齒質(zhì)量改善并實(shí)現(xiàn)片上集成,基于微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)調(diào)制器的片上集成電光梳受到該領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[14],通過微環(huán)腔結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)片上小型化、高功率、寬光譜、平坦梳齒的電光梳,有望在未來集成化應(yīng)用中得到普及。

相較前述所有光梳系統(tǒng),微腔光梳因有望兼容半導(dǎo)體加工工藝,具備大規(guī)模流片潛力,實(shí)現(xiàn)集成化芯片級(jí)便攜光源而備受關(guān)注。微腔光梳利用微腔諧振器中的光學(xué)非線性效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了寬譜覆蓋和高重復(fù)頻率的光頻梳。繼2007年Del’Haye等[15]首次在石英微環(huán)芯腔中激發(fā)克爾光頻梳后,2014年,Herr等[16]率先在氟化鎂晶體微腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光孤子頻梳,2020年,多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作實(shí)現(xiàn)了微腔孤子光梳的“啟鑰”(打開激光器的開關(guān)便可自動(dòng)尋找鎖模狀態(tài)并保持穩(wěn)定工作)運(yùn)行[17],以上3個(gè)標(biāo)志性成果成為微腔光梳發(fā)展歷程中的里程碑式成果。目前研究者們已相繼通過不同材料、腔型結(jié)構(gòu)、制作工藝的光學(xué)微腔實(shí)現(xiàn)了頻譜覆蓋可見光、近紅外和中紅外波段,重復(fù)頻率從數(shù)GHz到THz范圍的微腔光梳系統(tǒng),并致力于將微腔光梳進(jìn)行片上集成開發(fā)[6,18-19]。

在實(shí)際應(yīng)用中,選擇合適的光頻梳類型需要考慮應(yīng)用需求和限制條件,如頻率范圍、頻率穩(wěn)定性、光譜分辨率、光纖傳輸損耗等因素。同時(shí),還需考慮設(shè)備的尺寸、功耗、集成性和可靠性,以便在特定的應(yīng)用環(huán)境下實(shí)現(xiàn)光頻梳的最佳性能。例如,固體鎖模激光器光頻梳可達(dá)到赫茲乃至亞赫茲量級(jí)的頻率穩(wěn)定度,在精密測(cè)量領(lǐng)域表現(xiàn)出色,廣泛應(yīng)用于地基實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的頻率標(biāo)定、比對(duì)和合成。光纖光梳各項(xiàng)參數(shù)處于相對(duì)適中位置,頻率穩(wěn)定性可達(dá)到赫茲級(jí)別;頻譜覆蓋范圍可達(dá)數(shù)百納米到數(shù)微米;輸出功率取決于光源和放大器,通常在幾百毫瓦到數(shù)瓦之間;并可設(shè)計(jì)為較緊湊的尺寸。以上各項(xiàng)性能參數(shù)還可根據(jù)具體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化和平衡。這些特點(diǎn)使光纖光梳商品化程度高且應(yīng)用廣泛,特別在光纖通信、頻率合成和頻率比對(duì)等方面表現(xiàn)出色。電光梳因其與電子技術(shù)的兼容性,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光通信和光網(wǎng)絡(luò)?；陔姽庹{(diào)制原理產(chǎn)生的電光梳可以提供高頻寬帶的光載波作為多通道光源,再次通過電光調(diào)制器對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,從而在光通信和光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多種功能,如光波長選擇、光信號(hào)調(diào)制、光頻率轉(zhuǎn)換等。電光梳為光通信系統(tǒng)提供了靈活性和可編程性,促進(jìn)了高速、大容量、高效率的光信號(hào)傳輸和處理。微腔光梳具有低噪聲、高相干、小型化、高重頻、寬光譜的優(yōu)異性能,但目前仍存在能量轉(zhuǎn)化效率低、單根梳齒功率低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受環(huán)境擾動(dòng)產(chǎn)生噪聲、穩(wěn)頻鎖頻抑制失諧復(fù)雜等限制因素,使其實(shí)用化進(jìn)程受阻。但毋庸置疑的是,隨著微腔加工工藝的提升,新型材料體系與腔型結(jié)構(gòu)的開發(fā),以及更先進(jìn)的調(diào)控技術(shù)方案的應(yīng)用,微腔光梳系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性將得到進(jìn)一步優(yōu)化,同時(shí)伴隨大規(guī)模集成化制備技術(shù)發(fā)展,微腔光梳的技術(shù)潛力必將得到進(jìn)一步挖掘從而實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

如上所述,豐富的光頻梳產(chǎn)生技術(shù)方案構(gòu)成了一個(gè)龐大多樣化的光頻梳體系,目前已逐漸在多個(gè)空間應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展,下面就幾大重要領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨勢(shì)進(jìn)行展開論述。

2 空間時(shí)頻基準(zhǔn)

時(shí)間是表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本物理量,它為一切動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和時(shí)序過程的測(cè)量和定量研究提供了必不可少的時(shí)基坐標(biāo),高精度時(shí)間頻率生成與分發(fā)能力是國家時(shí)間頻率體系的基礎(chǔ)[20]。原子鐘是以原子共振頻率作為參考產(chǎn)生精準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的裝置,是國際計(jì)量大會(huì)定義時(shí)間單位“秒”的基準(zhǔn),目前世界上精度最高的光原子鐘(簡(jiǎn)稱“光鐘”)準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了10-19量級(jí)[21]。光頻梳是光鐘系統(tǒng)的核心組成部分,它提供了光頻與微波頻率間的頻率鏈,把來自光鐘中冷原子或單離子窄帶能級(jí)躍遷非?？斓墓忸l振動(dòng)映射到較低的微波頻率,這使得光頻段的原子躍遷譜線可以通過電子學(xué)儀器精密測(cè)量,實(shí)現(xiàn)光鐘的鎖定。摻鉺光纖光梳系統(tǒng)因支持全光纖結(jié)構(gòu),并能連接通信光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞,面對(duì)空間復(fù)雜環(huán)境可靠性高而成為空間光鐘系統(tǒng)的首選。

2013年韓國將基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的摻鉺光纖光梳發(fā)射到近地衛(wèi)星上,在空間環(huán)境下開展了長達(dá)一年的實(shí)驗(yàn)[22],測(cè)試結(jié)果證明光纖光梳能夠克服發(fā)射加速度振動(dòng),在空間高能輻射和熱真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定鎖模。2015年,Menlo System公司將9字型腔鎖模系列光纖光梳系統(tǒng)(FOKUSⅠ)搭載探空火箭發(fā)射升空,該光纖光梳系統(tǒng)經(jīng)歷峰值高達(dá)12.6g的加速度振動(dòng),在6分鐘零重力飛行狀態(tài)下運(yùn)行良好。2016年,該公司再次基于該系列光纖光梳開展了空間發(fā)射實(shí)驗(yàn),并以銫噴泉鐘為參考源,完成了銣鐘頻率測(cè)量工作[23],達(dá)成了首次空間環(huán)境下光鐘的頻率測(cè)量。2021年,該公司在FOKUSⅠ系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了FOKUSⅡ雙光纖光梳系統(tǒng)并搭載TEXUS 54探空火箭進(jìn)行空間載荷實(shí)驗(yàn)[24],兩重復(fù)頻率不同的光纖光梳均可自啟動(dòng)并與參考光頻標(biāo)碘原子光鐘穩(wěn)定鎖頻,如圖3所示,為FOKUS系列光纖光梳實(shí)物圖與光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖。這些研究進(jìn)一步提升了光纖光梳在空間光鐘應(yīng)用方面的技術(shù)準(zhǔn)備。2022年,中國科學(xué)院國家授時(shí)中心為空間站研制的87Sr光晶格鐘與低噪聲光纖光梳組成高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜[25]隨夢(mèng)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射升空,為光鐘全面走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3 Menlo System公司9字型飛秒光梳系統(tǒng)[23-24]Fig.3 Figure-9 femtosecond optical comb system by Menlo System[23-24]

基于微腔光梳的時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)源在體積和功耗上極具優(yōu)勢(shì),有望實(shí)現(xiàn)高精度可集成的芯片化產(chǎn)品與各應(yīng)用平臺(tái)兼容,進(jìn)一步提高系統(tǒng)長期穩(wěn)定性和抗干擾能力,提高基準(zhǔn)信號(hào)源輸出信號(hào)的精度將是未來小型化集成時(shí)頻基準(zhǔn)源的主要發(fā)展方向。

3 空間時(shí)頻傳遞

高精度時(shí)間頻率應(yīng)用的關(guān)鍵在于對(duì)原子鐘產(chǎn)生的高精度時(shí)頻基準(zhǔn)進(jìn)行遠(yuǎn)程高效傳遞而不破壞其頻率穩(wěn)定度[29]。目前利用激光脈沖的時(shí)頻傳遞方案已顯現(xiàn)出比傳統(tǒng)微波方案高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上的傳遞精度[30],而基于光頻梳激光脈沖序列的自由空間雙向時(shí)頻傳遞(two-way time and frequency transfer,TWTFT,本文為區(qū)分傳統(tǒng)激光脈沖與光頻梳脈沖序列,簡(jiǎn)寫為OFC-TWTFT)技術(shù)方案受傳輸路徑中溫度、壓強(qiáng)、濕度、色散等環(huán)境變化影響更小,并可通過應(yīng)用壓縮態(tài)光場(chǎng)的量子光頻梳系統(tǒng)替代傳統(tǒng)光頻梳進(jìn)一步提升傳遞精度[31]。利用空間微重力平臺(tái)運(yùn)行高精度原子鐘,通過OFC-TWTFT建立自由空間光(free space optics,FSO)鏈路為星間、星地和洲際尺度的時(shí)基單位提供高精度時(shí)間頻率比對(duì)分發(fā),從而構(gòu)建全球高精度時(shí)頻基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)是光頻梳空間時(shí)頻傳遞的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)在此方面開展了一系列工作。2013年,NIST的研究人員通過2km的FSO鏈路進(jìn)行光鐘比對(duì),在1000s的積分時(shí)間下得到1×10-18量級(jí)的頻率傳遞精度[32],并達(dá)到了4×10-19量級(jí)以下的系統(tǒng)不確定度,表明OFC-TWTFT方案具備對(duì)現(xiàn)有最高精度光鐘的比對(duì)分發(fā)能力。在上述工作的基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)于2014年采用三種方案測(cè)量了2km的FSO鏈路在中等湍流強(qiáng)度下的相位噪聲譜密度[33]。在基于光頻梳的單向時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)中,穩(wěn)定度在1000s的積分時(shí)間下只能達(dá)到10-15量級(jí),結(jié)論表明OFC-TWTFT方案可有效抵御大氣湍流、空氣溫度和壓力的變化而引起的傳輸穩(wěn)定性波動(dòng)。2016年,其研究人員對(duì)比了12km路徑不同湍流強(qiáng)度下的光鐘同步[34],實(shí)驗(yàn)顯示長距離強(qiáng)湍流下OFC-TWTFT光鏈路相較微波鏈路絕對(duì)的性能優(yōu)勢(shì);同年,其研究人員利用3個(gè)光頻梳采用相干光通信結(jié)合偽碼測(cè)量時(shí)延技術(shù)實(shí)現(xiàn)了4km距離兩地光鐘1.8小時(shí)內(nèi)亞飛秒級(jí)同步精度[35],在此實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,2019年研究人員開展了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)OFC-TWTFT鏈路光鐘同步的影響[36],在24m/s的運(yùn)動(dòng)速度情況下,光鐘同步精度為1fs量級(jí),但平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度超過75m/s時(shí),由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移會(huì)導(dǎo)致較大的誤差甚至使算法失效。2020年,其研究人員首次應(yīng)用三點(diǎn)中繼方案,在兩條分立的14km光鏈路[37],共計(jì)28km的強(qiáng)烈湍流空氣中實(shí)現(xiàn)了10s積分時(shí)間內(nèi)頻率傳遞不穩(wěn)定性低于1×10-16量級(jí)的FSO鏈路時(shí)頻同步。2021年,NIST的研究人員與美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室合作,基于3.6km光纖鏈路和1.5km的FSO鏈路對(duì)3個(gè)頻率穩(wěn)定度在8×10-18量級(jí)的不同種類原子鐘進(jìn)行頻率比對(duì)[38],并實(shí)現(xiàn)了10-18量級(jí)頻率比對(duì)精度,為精確穩(wěn)定的全球時(shí)基網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2022年,韓國科學(xué)技術(shù)院Kim研究團(tuán)隊(duì)基于FSO鏈路相干傳輸系統(tǒng),在1.3公里的大氣開放路徑上使雙光梳系統(tǒng)的從梳與主梳同步[39]。在平均0.1s的積分時(shí)間內(nèi)得到了1.7×10-15量級(jí)的頻率傳遞穩(wěn)定性,該系統(tǒng)可為遠(yuǎn)距離地對(duì)地甚至地對(duì)衛(wèi)星的FSO信號(hào)傳輸提供借鑒。同年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)搭建了113km的FSO時(shí)頻基準(zhǔn)傳遞鏈路[40]以模擬地面到衛(wèi)星的時(shí)頻基準(zhǔn)傳遞,傳遞精度達(dá)到了3.0×10-19@10000s量級(jí),其實(shí)驗(yàn)方案和系統(tǒng)原理如圖4所示。該工作充分驗(yàn)證了星地自由空間遠(yuǎn)距離光學(xué)時(shí)頻傳遞的可行性。

圖4 113km的FSO時(shí)頻基準(zhǔn)傳遞鏈路實(shí)驗(yàn)設(shè)置[40]Fig.4 The experimental setup of the 113km FSO time-frequency dissemination[40]

進(jìn)一步提高OFC-TWTFT在湍流大氣中時(shí)頻傳遞的穩(wěn)定性需使光鏈路具備良好的指向、捕獲和跟蹤能力,這要求研究人員在自適應(yīng)調(diào)控方面進(jìn)行更深入的研究。同時(shí)對(duì)抑制或補(bǔ)償由環(huán)境溫度和壓力波動(dòng)引起的大氣相位噪聲的技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化,并進(jìn)一步開展針對(duì)量子優(yōu)化光頻梳時(shí)頻傳遞方案的深入理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 精密測(cè)量

隨著合成孔徑雷達(dá)遙感、衛(wèi)星編隊(duì)飛行、衛(wèi)星天線定位、地形地貌測(cè)量等空間前沿領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)范圍、更新速率等指標(biāo)需求不斷提高[42]。對(duì)于上述大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景來說,距離測(cè)量是其基本技術(shù)路徑,傳統(tǒng)測(cè)距方案如飛行時(shí)間法或干涉法都有其各自的局限性:飛行時(shí)間法通過獲取主回波從發(fā)射到經(jīng)目標(biāo)反射回接收器的相對(duì)時(shí)間關(guān)系獲得絕對(duì)距離[43],但面對(duì)復(fù)雜的傳輸路徑和目標(biāo)特性,該方案難以滿足測(cè)距精度的要求,重復(fù)性和一致性相對(duì)較差。干涉法通過干涉相位以2π為周期隨著光信號(hào)的傳播不斷積累而將被測(cè)距離溯源至波長基準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距[44],但需采用合成波長法或多波長法來增大非模糊測(cè)距范圍,量程受限于光源的波長而測(cè)量范圍有限。將光頻梳引入測(cè)距系統(tǒng)可同時(shí)在時(shí)域獲取大尺度范圍的飛行時(shí)間信息和頻域高精度的干涉信息,從而實(shí)現(xiàn)大尺度、高精度的絕對(duì)距離測(cè)量[41-43]。多種基于光頻梳的測(cè)距方案例如模間拍頻法[45]、掃描重頻法[46]、色散干涉法[47]、合成波長法[48]等被相繼提出。同時(shí),與單光梳測(cè)距法相比,雙光梳測(cè)距法在測(cè)量速度、非模糊范圍及測(cè)量精度等技術(shù)指標(biāo)方面具備更好的綜合性能[41],因而得到研究人員的廣泛青睞。單腔雙光梳激光器、微腔光梳的發(fā)展為測(cè)距系統(tǒng)的小型化、集成化改進(jìn)提供了重要支撐。

2018年,Trocha等[42]利用重頻約96GHz,重頻差約96.4MHz的兩臺(tái)微腔光梳通過大規(guī)模并行合成波長干涉測(cè)量,在僅13μs的測(cè)量時(shí)間內(nèi)達(dá)到了12nm的測(cè)距精度,并成功捕捉到了以150m/s速度飛行的子彈的輪廓,展示了小型化片上微腔光梳對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的精密捕捉。2020年,Riemensberger等[43]將微腔孤子光梳應(yīng)用于大規(guī)模并行測(cè)距測(cè)速,通過光柵濾取光頻梳特定頻率分量并調(diào)制,可同時(shí)生成30個(gè)測(cè)量通道的線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)以供采樣,采樣速率達(dá)到每秒3百萬數(shù)據(jù)點(diǎn),為大規(guī)模并行超高速率雷達(dá)系統(tǒng)提供了小型、高效的平臺(tái)。同年,天津大學(xué)Wang J等[44]實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍超過1km的長程高精度測(cè)距。該方案采用重頻約為50GHz的微腔單光梳,通過色散干涉法,在0.2ms的平均時(shí)間內(nèi),測(cè)距精度在1179m距離處達(dá)到了5.6μm,為高精度遠(yuǎn)距離測(cè)距提供了新的解決方案。

目標(biāo)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程例如確定編隊(duì)衛(wèi)星的指向、空間天線展開過程各部件的方向等,除需獲得目標(biāo)的絕對(duì)距離信息外,通常還需要測(cè)量目標(biāo)姿態(tài)角信息。2021年,清華大學(xué)Zhou S等[49]將光柵對(duì)光譜相位的操控、雙光梳對(duì)光譜相位的精密分辨和雙光梳絕對(duì)距離測(cè)量結(jié)合,利用如圖5所示光柵角錐探頭實(shí)現(xiàn)三自由度同時(shí)解耦,以1kHz測(cè)量速度同時(shí)測(cè)量了軸向距離和二維姿態(tài)角,達(dá)到13.7nm測(cè)距精度和0.088″的角向精度,體現(xiàn)了緊湊、高動(dòng)態(tài)精度、大非模糊范圍的綜合性能優(yōu)勢(shì),有望在空間高精度定位等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖5 基于雙光梳光譜相位辨析的三自由度測(cè)量方法[49]Fig.5 A three-degree-of-freedom measurement method based on phase discrimination of dual-comb spectroscopy[49]

為滿足空間前沿領(lǐng)域?qū)忸l梳測(cè)量系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)范圍和更新速率等指標(biāo)越來越高的需求,需進(jìn)一步提升光頻梳的瞬時(shí)穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。通過引入反饋控制方案,精確調(diào)節(jié)和補(bǔ)償系統(tǒng)中的誤差分量,可實(shí)現(xiàn)高刷新率、高分辨率的頻率相位穩(wěn)定;同時(shí),通過改進(jìn)光學(xué)信號(hào)采集與處理方式,并采用高速的光電器件,可提升數(shù)據(jù)更新和處理速度,以滿足快速實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。以上技術(shù)改進(jìn)將使光頻梳精密測(cè)量更適應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景,并加速其在空間應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。

5 大容量相干光通信

FSO通信是以激光為載波,在空間進(jìn)行信息無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?相較傳統(tǒng)微波為載波的空間通信技術(shù),具有速率高、容量大、帶寬寬、無頻譜限制、抗干擾、抗截獲、保密性好等優(yōu)點(diǎn),成為解決衛(wèi)星微波通信帶寬瓶頸和減緩衛(wèi)星頻譜資源緊張,實(shí)現(xiàn)大容量高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行侄?。FSO通信不僅對(duì)傳輸系統(tǒng)的速率功率效率有很高的要求,同時(shí)要求兼顧頻譜效率。然而國內(nèi)外現(xiàn)已驗(yàn)證的FSO通信技術(shù)的傳輸速率為Gbps量級(jí),無法滿足規(guī)?；瘜?shí)用化要求,實(shí)現(xiàn)Tbps量級(jí)及更高速率的傳輸需采用提升符號(hào)速率、增加載波數(shù)量、提高調(diào)制格式階數(shù)和多物理參量復(fù)用等技術(shù)手段,以盡可能將帶寬應(yīng)用到極致,最大化提升系統(tǒng)頻譜效率[50]。面對(duì)以上難題,采用頻率穩(wěn)定低噪聲的光頻梳作為多載波超信道復(fù)用相干通信系統(tǒng)的多波長光源被認(rèn)為是當(dāng)下最具前景的解決方案之一[51]。如圖6所示為2018年丹麥理工大學(xué)Hu U等[50]在基于鋁鎵砷(AlGaAs)芯片光頻梳的超大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn),通過六維多物理場(chǎng)復(fù)用調(diào)制實(shí)現(xiàn)了高達(dá)661Tbps的傳輸速率,充分展示了芯片級(jí)微腔光頻梳作為多載波源在大規(guī)模集成高效光互聯(lián)高速相干通信方面的潛力。

圖6 基于AlGaAs光子芯片光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)數(shù)百Tbit/s數(shù)據(jù)生成與傳輸示意圖[50]。通過六維多物理場(chǎng)復(fù)用調(diào)制(Nyquist—TDM—WDM—SDM—PDM—16QAM),使用了4個(gè)時(shí)隙、80個(gè)波長、30根纖芯,總速率高達(dá)661TbpsFig.6 Generation and transmission of multi-100 Tbit s-1 data carried by the AlGaAsOI SPM-based frequency comb[50]. Through six-dimensional multi-physical field multiplexing modulation(Nyquist-TDM-WDM-SDM-PDM-16QAM) , four time slots, 80 wavelengths and 30 cores are used, with a total rate of up to 661Tbps

2021年,Mazur等[53]基于重頻為22.1GHz硅基楔形盤腔,通過超信道復(fù)用技術(shù),選取位于C波段的52根梳線,在PM-64QAM(PM-256QAM)調(diào)制格式下進(jìn)行了80km外場(chǎng)環(huán)境光纖傳輸實(shí)驗(yàn),傳輸速率達(dá)到了11.7Tbit/s(12Tbit/s),頻譜效率超過10bit/s/Hz。在PM-16QAM-WDM調(diào)制格式下進(jìn)行了2000km外場(chǎng)環(huán)境光纖傳輸實(shí)驗(yàn),傳輸速率可達(dá)8Tbit/s,頻譜效率超過6bit/s/Hz。展現(xiàn)了光頻梳超信道技術(shù)在超長距離傳輸過程中極高的光譜效率。2022年,J?rgensen等[54]在基于芯片級(jí)氮化硅微環(huán)腔暗脈沖克爾光梳的超大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)中,使用了223個(gè)波長、37根纖芯,在經(jīng)過7.9km外場(chǎng)環(huán)境光纖傳輸后,總傳輸速率高達(dá)1.84Pbps。進(jìn)一步擴(kuò)展了芯片級(jí)微腔光頻梳多載波源在大規(guī)模高效光互聯(lián)高速相干通信方面的技術(shù)潛力。

使用光頻梳作為接收端光源可利用其頻率分量間相位相干性對(duì)多個(gè)信道進(jìn)行聯(lián)合信號(hào)處理,從而極大程度降低數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜度,提升傳輸速度[55]。2018年,Mazur等[56]選取發(fā)射端的一個(gè)特定波長作為導(dǎo)頻(Pilot Tone),將導(dǎo)頻與其他攜帶數(shù)據(jù)的載波通過同一根光纖傳輸。在接收端利用導(dǎo)頻信號(hào)異地生成本振光頻梳,并將其鎖定在與發(fā)射端共享的導(dǎo)頻波長上,以此抑制光載波的頻率漂移。該方案是將發(fā)射端光頻梳的某一譜線作為種子光源異地產(chǎn)生本振光頻梳以實(shí)現(xiàn)光梳再生。另一種方案接收端自有產(chǎn)生本振光頻梳的系統(tǒng),但需與發(fā)射端光頻梳對(duì)應(yīng)譜線建立相位相關(guān)性。2022年,電子科技大學(xué)的Geng Y等[57]通過泵浦激光傳輸和兩點(diǎn)鎖定的方式,使接收端產(chǎn)生的克爾孤子微腔光梳精確“克隆”了50公里外發(fā)射端光頻梳的頻率和相位,并實(shí)現(xiàn)了太比特量級(jí)的相干數(shù)據(jù)傳輸。該方案完全免除了用于頻率偏移估計(jì)的傳統(tǒng)數(shù)字過程,并且通過多個(gè)信道之間的聯(lián)合估計(jì)使載波相位估計(jì)過程被大大簡(jiǎn)化。

目前以光頻梳作為多載波光源進(jìn)行光通信仍處于以光纖為傳輸介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段,實(shí)現(xiàn)FSO通信的過程中仍有許多技術(shù)問題亟待解決,如地面終端與空間高速運(yùn)轉(zhuǎn)終端之間的高效光互聯(lián)互通、太比特量級(jí)數(shù)據(jù)的接入復(fù)用、射頻信號(hào)與光信號(hào)之間的自由切換和有效路由等。

6 結(jié)論

文章研究并分析了光頻梳在空間時(shí)頻基準(zhǔn)、空間時(shí)頻傳輸、精密測(cè)量、大容量相干光通信等空間應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。目前,相關(guān)技術(shù)已陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成驗(yàn)證,其中空間時(shí)頻基準(zhǔn)技術(shù)已投入實(shí)際工程應(yīng)用,但真正實(shí)現(xiàn)廣泛的工程化應(yīng)用仍需在以下方面開展深入研究:

1)提升小型化設(shè)備性能。就性能而言,目前小型化改進(jìn)的光纖、電光、微腔光頻梳設(shè)備在噪聲、精度、穩(wěn)定性、輸出功率、光學(xué)效率等方面仍無法與引入完善控制設(shè)備但復(fù)雜龐大的商品級(jí)光頻梳系統(tǒng)相比擬。然而,考慮到空間應(yīng)用的實(shí)用性和發(fā)展趨勢(shì),仍需深入拓展光頻梳設(shè)備技術(shù)方案和加工工藝層面緊湊化的可能性,進(jìn)一步減小光頻梳設(shè)備的體積和重量以使其更好地與其他系統(tǒng)集成,從而在實(shí)際任務(wù)中實(shí)現(xiàn)更加靈活和便捷的應(yīng)用。這需要研究人員進(jìn)一步提高半導(dǎo)體激光器、電光調(diào)制器件、波導(dǎo)和光學(xué)微腔等方面微納加工和片上集成與封測(cè)工藝,并開發(fā)新的調(diào)控方案以提升小型化設(shè)備的性能參數(shù)。

2)提升空間環(huán)境適應(yīng)性?，F(xiàn)階段光纖光梳仍是空間應(yīng)用領(lǐng)域的首選,但其在復(fù)雜太空環(huán)境下材料損傷、性能劣化、穩(wěn)定性降低等限制因素要求對(duì)光纖光梳系統(tǒng)的光路、電路、材料、機(jī)械、控制方面作全面優(yōu)化。一方面,通過引入自適應(yīng)和自校準(zhǔn)算法,使光頻梳能夠自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化自身的性能;另一方面,可通過引入自動(dòng)化和智能化管理技術(shù),例如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能,使光頻梳系統(tǒng)能夠靈活智能進(jìn)行資源分配,并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和分析自身設(shè)備狀態(tài),快速檢測(cè)故障并自動(dòng)恢復(fù)。這將提高光頻梳在空間應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性,以更好應(yīng)對(duì)空間環(huán)境中的溫度變化、光學(xué)元件老化和系統(tǒng)漂移。

3)實(shí)現(xiàn)微腔光梳瓶頸突破。微腔光梳具備高頻率精度、寬帶寬、高穩(wěn)定性、可緊湊集成以及可大規(guī)模流程化加工的優(yōu)異性能,由于其需要高精度的加工工藝、控制技術(shù)的支持,目前尚未得到廣泛應(yīng)用。但其作為未來最具潛力的光頻梳系統(tǒng)之一,克服技術(shù)瓶頸,使其實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。這需要研究人員在制造和控制技術(shù)上進(jìn)行持續(xù)的研究和創(chuàng)新:發(fā)展更穩(wěn)定、可靠和可控的微腔材料,優(yōu)化加工工藝,提高調(diào)諧范圍和功率輸出以及實(shí)現(xiàn)小型化片上集成。此外,通過與其他領(lǐng)域的交叉合作,如微納光子學(xué)、半導(dǎo)體材料器件和加工封測(cè)技術(shù)等,也可以為微腔光梳的發(fā)展提供新的機(jī)遇和突破。

隨著光頻梳產(chǎn)生技術(shù)方案不斷發(fā)展,更先進(jìn)的調(diào)控手段使光頻梳穩(wěn)頻鎖頻能力不斷提升,低噪聲、強(qiáng)相干、高穩(wěn)定等性能參數(shù)不斷優(yōu)化。且隨著光頻梳系統(tǒng)向小尺寸、低功耗、可集成改進(jìn),光頻梳應(yīng)用于各領(lǐng)域的技術(shù)潛力必將得到更進(jìn)一步挖掘。未來,隨著光頻梳芯片兼容半導(dǎo)體加工工藝進(jìn)行大規(guī)模流程化加工,空間時(shí)頻基準(zhǔn)、空間時(shí)頻傳遞、精密測(cè)量、大容量相干光通信等空間應(yīng)用領(lǐng)域也將因此受益,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。