光学频率梳空间应用及研究进展

马 西,赵卫岗,康文超,谭庆贵

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

光学频率梳(简称光频梳,optical frequency comb,OFC)技术研究始于20世纪70年代,最初的目的是利用超短脉冲激光联系微波频标与光学频标以实现光频的绝对频率测量,但受限于早期锁模激光器的光谱宽度和稳定度而未得到广泛关注和应用[1-2]。自2005年诺贝尔奖获得者Hall和Hänsch[3-4]教授团队分别实现了覆盖一个倍频程范围的超连续谱输出,以及重复频率和载波包络偏移频率的锁定后,频率锁定的光频梳迈出了实用化过程中的关键一步。过去20多年里,其在产生原理、调控方案、工程应用等诸多领域得到了长足发展[5-6],进一步推进了光频梳关键参数的提升以及工程应用可能性的提高。

原理上,光频梳在频域上表现为一系列等间隔的相干频率梳齿,由重复频率和载波包络偏移频率表征[7-9];时域上表现为一系列等间隔的飞秒脉冲,光脉冲序列与光谱满足傅里叶变换关系[10-12],其光谱覆盖范围极广,可达数百THz,单根梳齿线宽极窄,可被压缩至Hz量级[13-19]。同时,通过对光频梳的调谐,可将其光谱覆盖范围内的所有频率锁定至已知精确稳定的微波频率基准,例如由原子钟提供的微波频率,从而建立起光波频率和微波频率之间的直接联系[7-9]。此时,光频梳便可充当光学频段的频率综合发生器,为绝对光学频率的测量和标定提供极大的便利和精度[10-13]。如图1所示,呈现了光频梳在时域和频域上的表现,并展示了其相关的表征参数。

图1 光学频率梳的时域、频域特性及联系微波频率原理示意图[5]Fig.1 Schematic illustration of the OFC time-frequency domain characteristics and the relationship between optical frequencies and microwave frequencies

此外,图中还展示了光频梳在时域和频域之间的傅里叶变换关系,进一步说明了建立光波频率和微波频率之间联系的原理。以上优异的性能为其应用层面打下了良好的基础,以空间领域应用为例:作为时间频率“最准的尺”,通过双光子吸收等一系列物理效应,将第一主族或者第二主族原子气体的跃迁谱线精确锁定至光频梳的特定频率分量,借助于高频高点探测设备,通过光电下转换的方式便可实现原子跃迁谱线量级的高精度时间频率基准[20-28];因其具有10～18量级的频率稳定度和飞秒量级的时间分辨率,可对所获得的高精度时间频率基准进行高速、准确、稳定地比对、传递与分发,从而建立精确稳定的全球范围的时钟比对网络和天基时空基准网[29-40];而其时域超短脉冲和频域宽光谱、窄线宽的特性可进行飞行时间信息和相位干涉信息的同时获取,从而实现大尺度、高精度、高帧速、多维度的精密测量[41-49];其高重频、宽光谱、低相噪、高相干的频域特性可作为性能优异的多波长相干光源在大容量高速光通信系统中提供高容量通信信道[50-57]。

1 光学频率梳产生方法

光频梳起源于超短脉冲锁模激光器,其关键在于产生稳定的超短激光脉冲序列。每个激光脉冲的特性由其载波和包络决定,脉冲序列之间的时间间隔为重复频率的倒数。由于激光器内部群速度和相速度的差异,导致脉冲的载波和包络移动速度不同,从而产生载波包络相移现象,反映在频谱上即为光频梳的第一根梳齿相对零频产生了载波包络偏移频率。因此,探测和锁定重复频率和载波包络偏移频率是实现光频梳稳频锁频的关键[3-4]。2000年,Hall[8]教授团队利用掺钛蓝宝石固体激光器实现了第一台频率锁定的光频梳装置,基于固体锁模激光器的光频梳系统具有精度高、噪声低、脉冲能量高的特点,但因锁模和调控需要复杂的反馈控制电路,整个系统体积庞大、结构复杂、造价高昂,这使其难以在复杂多变的环境条件下长时间稳定运行[9]。

和固体飞秒锁模激光器光频梳系统相比,基于光纤锁模激光器的飞秒光纤光频梳(简称光纤光梳)系统具有体积小、重量轻、可集成、易维护、造价低等优点,是目前技术成熟度最高、应用最广泛、工程实用化程度最高的技术方案[10]。2004年,Washburn等[11]基于掺饵光纤飞秒锁模激光器,结合高非线性光纤产生倍频程带宽的超连续谱,并通过载波包络偏移频率的f-2f自参考锁定方法成功研制了近红外波段光纤光梳系统,如图2所示为载波包络偏移频率的f-2f自参考锁定原理。光纤光梳的关键在于锁模机制和超连续谱产生机制,锁模机制的代表性方案有可饱和吸收镜锁模、非线性偏振旋转锁模和非线性放大环路镜锁模;超连续谱可通过光子晶体光纤、拉锥光纤和高非线性波导产生[12]。光纤光梳的优点在于长期工作稳定,可在较长时间内提供可靠的性能。其次,相较其他光频梳系统,光纤光梳采用了光纤器件和标准光纤连接技术,因而成本较低,且更易进行大规模生产和规模化应用。此外,光纤光梳具有较强的适应性,可与现有的光纤系统集成,为各应用领域提供灵活的解决方案。然而,光纤光梳也存在一些挑战和限制。由于其高度敏感性,易受应变、温度、湿度和机械振动等环境变化以及泵浦输出功率扰动的影响使输出信号混入来源复杂的噪声,因此除去必要的温度控制和振动隔离外,其本身的结构设计也需更加紧凑稳定,并需要采取有效的锁定方案和噪声抑制措施。

图2 光学频率梳载波包络偏移频率自参考探测原理示意图[5]Fig.2 Schematic illustration of the OFC offset frequency detection via self-referencing[5]

电光调制光频梳(简称电光梳)成本低且易于复现,是目前唯一实现灵敏调节中心波长和重复频率的光频梳方案。该方案基于电光调制原理,通过外加射频信号调制光载波使光载波两端出现等间隔分布的频率梳齿,由此可将光频梳的重复频率与射频源相关联,从而通过改变驱动信号的频率实现精确、快速的调节。此外,电光梳可通过级联多个电光调制器以满足分辨率、量程、平坦度和动态范围等多项指标要求,进而与阵列信号处理、波分复用器件、光学信道化等应用条件相匹配[13]。但电光梳方案也存在一些局限性,例如会引入电学噪声,并且受限于射频源和电光调制器性能,生成的光谱范围较小,重复频率偏低。为克服以上限制,研究人员致力于对电光梳进行频谱扩展、梳齿质量改善并实现片上集成,基于微环谐振腔结构调制器的片上集成电光梳受到该领域的广泛关注[14],通过微环腔结构电光调制器可实现片上小型化、高功率、宽光谱、平坦梳齿的电光梳,有望在未来集成化应用中得到普及。

相较前述所有光梳系统,微腔光梳因有望兼容半导体加工工艺,具备大规模流片潜力,实现集成化芯片级便携光源而备受关注。微腔光梳利用微腔谐振器中的光学非线性效应,实现了宽谱覆盖和高重复频率的光频梳。继2007年Del’Haye等[15]首次在石英微环芯腔中激发克尔光频梳后,2014年,Herr等[16]率先在氟化镁晶体微腔内实现了光孤子频梳,2020年,多个研究团队合作实现了微腔孤子光梳的“启钥”(打开激光器的开关便可自动寻找锁模状态并保持稳定工作)运行[17],以上3个标志性成果成为微腔光梳发展历程中的里程碑式成果。目前研究者们已相继通过不同材料、腔型结构、制作工艺的光学微腔实现了频谱覆盖可见光、近红外和中红外波段,重复频率从数GHz到THz范围的微腔光梳系统,并致力于将微腔光梳进行片上集成开发[6,18-19]。

在实际应用中,选择合适的光频梳类型需要考虑应用需求和限制条件,如频率范围、频率稳定性、光谱分辨率、光纤传输损耗等因素。同时,还需考虑设备的尺寸、功耗、集成性和可靠性,以便在特定的应用环境下实现光频梳的最佳性能。例如,固体锁模激光器光频梳可达到赫兹乃至亚赫兹量级的频率稳定度,在精密测量领域表现出色,广泛应用于地基实验室环境的频率标定、比对和合成。光纤光梳各项参数处于相对适中位置,频率稳定性可达到赫兹级别;频谱覆盖范围可达数百纳米到数微米;输出功率取决于光源和放大器,通常在几百毫瓦到数瓦之间;并可设计为较紧凑的尺寸。以上各项性能参数还可根据具体的设计和应用需求进行优化和平衡。这些特点使光纤光梳商品化程度高且应用广泛,特别在光纤通信、频率合成和频率比对等方面表现出色。电光梳因其与电子技术的兼容性,广泛应用于现代光通信和光网络。基于电光调制原理产生的电光梳可以提供高频宽带的光载波作为多通道光源,再次通过电光调制器对载波信号进行调制,从而在光通信和光网络中实现多种功能,如光波长选择、光信号调制、光频率转换等。电光梳为光通信系统提供了灵活性和可编程性,促进了高速、大容量、高效率的光信号传输和处理。微腔光梳具有低噪声、高相干、小型化、高重频、宽光谱的优异性能,但目前仍存在能量转化效率低、单根梳齿功率低、系统结构复杂、易受环境扰动产生噪声、稳频锁频抑制失谐复杂等限制因素,使其实用化进程受阻。但毋庸置疑的是,随着微腔加工工艺的提升,新型材料体系与腔型结构的开发,以及更先进的调控技术方案的应用,微腔光梳系统稳定性、可靠性将得到进一步优化,同时伴随大规模集成化制备技术发展,微腔光梳的技术潜力必将得到进一步挖掘从而实现广泛应用。

如上所述,丰富的光频梳产生技术方案构成了一个庞大多样化的光频梳体系,目前已逐渐在多个空间应用领域取得突破性进展,下面就几大重要领域的发展现状和研究趋势进行展开论述。

2 空间时频基准

时间是表征物质运动的基本物理量,它为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标,高精度时间频率生成与分发能力是国家时间频率体系的基础[20]。原子钟是以原子共振频率作为参考产生精准时间信号的装置,是国际计量大会定义时间单位“秒”的基准,目前世界上精度最高的光原子钟(简称“光钟”)准确度已经达到了10-19量级[21]。光频梳是光钟系统的核心组成部分,它提供了光频与微波频率间的频率链,把来自光钟中冷原子或单离子窄带能级跃迁非常快的光频振动映射到较低的微波频率,这使得光频段的原子跃迁谱线可以通过电子学仪器精密测量,实现光钟的锁定。掺铒光纤光梳系统因支持全光纤结构,并能连接通信光纤进行信号传递,面对空间复杂环境可靠性高而成为空间光钟系统的首选。

2013年韩国将基于半导体可饱和吸收镜的掺铒光纤光梳发射到近地卫星上,在空间环境下开展了长达一年的实验[22],测试结果证明光纤光梳能够克服发射加速度振动,在空间高能辐射和热真空环境下实现长期稳定锁模。2015年,Menlo System公司将9字型腔锁模系列光纤光梳系统(FOKUSⅠ)搭载探空火箭发射升空,该光纤光梳系统经历峰值高达12.6g的加速度振动,在6分钟零重力飞行状态下运行良好。2016年,该公司再次基于该系列光纤光梳开展了空间发射实验,并以铯喷泉钟为参考源,完成了铷钟频率测量工作[23],达成了首次空间环境下光钟的频率测量。2021年,该公司在FOKUSⅠ系统的基础上开发了FOKUSⅡ双光纤光梳系统并搭载TEXUS 54探空火箭进行空间载荷实验[24],两重复频率不同的光纤光梳均可自启动并与参考光频标碘原子光钟稳定锁频,如图3所示,为FOKUS系列光纤光梳实物图与光学结构原理图。这些研究进一步提升了光纤光梳在空间光钟应用方面的技术准备。2022年,中国科学院国家授时中心为空间站研制的87Sr光晶格钟与低噪声光纤光梳组成高精度时频实验柜[25]随梦天号实验舱发射升空,为光钟全面走向实际应用奠定技术基础。

图3 Menlo System公司9字型飞秒光梳系统[23-24]Fig.3 Figure-9 femtosecond optical comb system by Menlo System[23-24]

基于微腔光梳的时频基准信号源在体积和功耗上极具优势,有望实现高精度可集成的芯片化产品与各应用平台兼容,进一步提高系统长期稳定性和抗干扰能力,提高基准信号源输出信号的精度将是未来小型化集成时频基准源的主要发展方向。

3 空间时频传递

高精度时间频率应用的关键在于对原子钟产生的高精度时频基准进行远程高效传递而不破坏其频率稳定度[29]。目前利用激光脉冲的时频传递方案已显现出比传统微波方案高2个数量级以上的传递精度[30],而基于光频梳激光脉冲序列的自由空间双向时频传递(two-way time and frequency transfer,TWTFT,本文为区分传统激光脉冲与光频梳脉冲序列,简写为OFC-TWTFT)技术方案受传输路径中温度、压强、湿度、色散等环境变化影响更小,并可通过应用压缩态光场的量子光频梳系统替代传统光频梳进一步提升传递精度[31]。利用空间微重力平台运行高精度原子钟,通过OFC-TWTFT建立自由空间光(free space optics,FSO)链路为星间、星地和洲际尺度的时基单位提供高精度时间频率比对分发,从而构建全球高精度时频基准网络是光频梳空间时频传递的前沿热点问题。

美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)在此方面开展了一系列工作。2013年,NIST的研究人员通过2km的FSO链路进行光钟比对,在1000s的积分时间下得到1×10-18量级的频率传递精度[32],并达到了4×10-19量级以下的系统不确定度,表明OFC-TWTFT方案具备对现有最高精度光钟的比对分发能力。在上述工作的基础上,该团队于2014年采用三种方案测量了2km的FSO链路在中等湍流强度下的相位噪声谱密度[33]。在基于光频梳的单向时频传递实验中,稳定度在1000s的积分时间下只能达到10-15量级,结论表明OFC-TWTFT方案可有效抵御大气湍流、空气温度和压力的变化而引起的传输稳定性波动。2016年,其研究人员对比了12km路径不同湍流强度下的光钟同步[34],实验显示长距离强湍流下OFC-TWTFT光链路相较微波链路绝对的性能优势;同年,其研究人员利用3个光频梳采用相干光通信结合伪码测量时延技术实现了4km距离两地光钟1.8小时内亚飞秒级同步精度[35],在此实验装置的基础上,2019年研究人员开展了平台运动对OFC-TWTFT链路光钟同步的影响[36],在24m/s的运动速度情况下,光钟同步精度为1fs量级,但平台运动速度超过75m/s时,由于运动产生的多普勒频移会导致较大的误差甚至使算法失效。2020年,其研究人员首次应用三点中继方案,在两条分立的14km光链路[37],共计28km的强烈湍流空气中实现了10s积分时间内频率传递不稳定性低于1×10-16量级的FSO链路时频同步。2021年,NIST的研究人员与美国天体物理联合实验室合作,基于3.6km光纤链路和1.5km的FSO链路对3个频率稳定度在8×10-18量级的不同种类原子钟进行频率比对[38],并实现了10-18量级频率比对精度,为精确稳定的全球时基网络的实现提供了关键技术支撑。

2022年,韩国科学技术院Kim研究团队基于FSO链路相干传输系统,在1.3公里的大气开放路径上使双光梳系统的从梳与主梳同步[39]。在平均0.1s的积分时间内得到了1.7×10-15量级的频率传递稳定性,该系统可为远距离地对地甚至地对卫星的FSO信号传输提供借鉴。同年,中国科学技术大学潘建伟团队搭建了113km的FSO时频基准传递链路[40]以模拟地面到卫星的时频基准传递,传递精度达到了3.0×10-19@10000s量级,其实验方案和系统原理如图4所示。该工作充分验证了星地自由空间远距离光学时频传递的可行性。

图4 113km的FSO时频基准传递链路实验设置[40]Fig.4 The experimental setup of the 113km FSO time-frequency dissemination[40]

进一步提高OFC-TWTFT在湍流大气中时频传递的稳定性需使光链路具备良好的指向、捕获和跟踪能力,这要求研究人员在自适应调控方面进行更深入的研究。同时对抑制或补偿由环境温度和压力波动引起的大气相位噪声的技术方案进行优化,并进一步开展针对量子优化光频梳时频传递方案的深入理论分析和实验验证。

4 精密测量

随着合成孔径雷达遥感、卫星编队飞行、卫星天线定位、地形地貌测量等空间前沿领域的快速发展,对测量系统的精度、动态范围、更新速率等指标需求不断提高[42]。对于上述大多数应用场景来说,距离测量是其基本技术路径,传统测距方案如飞行时间法或干涉法都有其各自的局限性:飞行时间法通过获取主回波从发射到经目标反射回接收器的相对时间关系获得绝对距离[43],但面对复杂的传输路径和目标特性,该方案难以满足测距精度的要求,重复性和一致性相对较差。干涉法通过干涉相位以2π为周期随着光信号的传播不断积累而将被测距离溯源至波长基准,可实现高精度测距[44],但需采用合成波长法或多波长法来增大非模糊测距范围,量程受限于光源的波长而测量范围有限。将光频梳引入测距系统可同时在时域获取大尺度范围的飞行时间信息和频域高精度的干涉信息,从而实现大尺度、高精度的绝对距离测量[41-43]。多种基于光频梳的测距方案例如模间拍频法[45]、扫描重频法[46]、色散干涉法[47]、合成波长法[48]等被相继提出。同时,与单光梳测距法相比,双光梳测距法在测量速度、非模糊范围及测量精度等技术指标方面具备更好的综合性能[41],因而得到研究人员的广泛青睐。单腔双光梳激光器、微腔光梳的发展为测距系统的小型化、集成化改进提供了重要支撑。

2018年,Trocha等[42]利用重频约96GHz,重频差约96.4MHz的两台微腔光梳通过大规模并行合成波长干涉测量,在仅13μs的测量时间内达到了12nm的测距精度,并成功捕捉到了以150m/s速度飞行的子弹的轮廓,展示了小型化片上微腔光梳对高速运动物体的精密捕捉。2020年,Riemensberger等[43]将微腔孤子光梳应用于大规模并行测距测速,通过光栅滤取光频梳特定频率分量并调制,可同时生成30个测量通道的线性调频连续波信号以供采样,采样速率达到每秒3百万数据点,为大规模并行超高速率雷达系统提供了小型、高效的平台。同年,天津大学Wang J等[44]实现了动态范围超过1km的长程高精度测距。该方案采用重频约为50GHz的微腔单光梳,通过色散干涉法,在0.2ms的平均时间内,测距精度在1179m距离处达到了5.6μm,为高精度远距离测距提供了新的解决方案。

目标复杂运动过程例如确定编队卫星的指向、空间天线展开过程各部件的方向等,除需获得目标的绝对距离信息外,通常还需要测量目标姿态角信息。2021年,清华大学Zhou S等[49]将光栅对光谱相位的操控、双光梳对光谱相位的精密分辨和双光梳绝对距离测量结合,利用如图5所示光栅角锥探头实现三自由度同时解耦,以1kHz测量速度同时测量了轴向距离和二维姿态角,达到13.7nm测距精度和0.088″的角向精度,体现了紧凑、高动态精度、大非模糊范围的综合性能优势,有望在空间高精度定位等领域得到广泛应用。

图5 基于双光梳光谱相位辨析的三自由度测量方法[49]Fig.5 A three-degree-of-freedom measurement method based on phase discrimination of dual-comb spectroscopy[49]

为满足空间前沿领域对光频梳测量系统的精度、动态范围和更新速率等指标越来越高的需求,需进一步提升光频梳的瞬时稳定性和长期稳定性。通过引入反馈控制方案,精确调节和补偿系统中的误差分量,可实现高刷新率、高分辨率的频率相位稳定;同时,通过改进光学信号采集与处理方式,并采用高速的光电器件,可提升数据更新和处理速度,以满足快速实时测量的需求。以上技术改进将使光频梳精密测量更适应实际场景,并加速其在空间应用领域的实用化进程。

5 大容量相干光通信

FSO通信是以激光为载波,在空间进行信息无线传输的通信方式,相较传统微波为载波的空间通信技术,具有速率高、容量大、带宽宽、无频谱限制、抗干扰、抗截获、保密性好等优点,成为解决卫星微波通信带宽瓶颈和减缓卫星频谱资源紧张,实现大容量高速数据传输的有效手段。FSO通信不仅对传输系统的速率功率效率有很高的要求,同时要求兼顾频谱效率。然而国内外现已验证的FSO通信技术的传输速率为Gbps量级,无法满足规模化实用化要求,实现Tbps量级及更高速率的传输需采用提升符号速率、增加载波数量、提高调制格式阶数和多物理参量复用等技术手段,以尽可能将带宽应用到极致,最大化提升系统频谱效率[50]。面对以上难题,采用频率稳定低噪声的光频梳作为多载波超信道复用相干通信系统的多波长光源被认为是当下最具前景的解决方案之一[51]。如图6所示为2018年丹麦理工大学Hu U等[50]在基于铝镓砷(AlGaAs)芯片光频梳的超大规模并行数据传输实验,通过六维多物理场复用调制实现了高达661Tbps的传输速率,充分展示了芯片级微腔光频梳作为多载波源在大规模集成高效光互联高速相干通信方面的潜力。

图6 基于AlGaAs光子芯片光学频率梳实现数百Tbit/s数据生成与传输示意图[50]。通过六维多物理场复用调制(Nyquist—TDM—WDM—SDM—PDM—16QAM),使用了4个时隙、80个波长、30根纤芯,总速率高达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]基于重频为22.1GHz硅基楔形盘腔,通过超信道复用技术,选取位于C波段的52根梳线,在PM-64QAM(PM-256QAM)调制格式下进行了80km外场环境光纤传输实验,传输速率达到了11.7Tbit/s(12Tbit/s),频谱效率超过10bit/s/Hz。在PM-16QAM-WDM调制格式下进行了2000km外场环境光纤传输实验,传输速率可达8Tbit/s,频谱效率超过6bit/s/Hz。展现了光频梳超信道技术在超长距离传输过程中极高的光谱效率。2022年,Jørgensen等[54]在基于芯片级氮化硅微环腔暗脉冲克尔光梳的超大规模并行数据传输实验中,使用了223个波长、37根纤芯,在经过7.9km外场环境光纤传输后,总传输速率高达1.84Pbps。进一步扩展了芯片级微腔光频梳多载波源在大规模高效光互联高速相干通信方面的技术潜力。

使用光频梳作为接收端光源可利用其频率分量间相位相干性对多个信道进行联合信号处理,从而极大程度降低数字信号处理的复杂度,提升传输速度[55]。2018年,Mazur等[56]选取发射端的一个特定波长作为导频(Pilot Tone),将导频与其他携带数据的载波通过同一根光纤传输。在接收端利用导频信号异地生成本振光频梳,并将其锁定在与发射端共享的导频波长上,以此抑制光载波的频率漂移。该方案是将发射端光频梳的某一谱线作为种子光源异地产生本振光频梳以实现光梳再生。另一种方案接收端自有产生本振光频梳的系统,但需与发射端光频梳对应谱线建立相位相关性。2022年,电子科技大学的Geng Y等[57]通过泵浦激光传输和两点锁定的方式,使接收端产生的克尔孤子微腔光梳精确“克隆”了50公里外发射端光频梳的频率和相位,并实现了太比特量级的相干数据传输。该方案完全免除了用于频率偏移估计的传统数字过程,并且通过多个信道之间的联合估计使载波相位估计过程被大大简化。

目前以光频梳作为多载波光源进行光通信仍处于以光纤为传输介质的实验验证阶段,实现FSO通信的过程中仍有许多技术问题亟待解决,如地面终端与空间高速运转终端之间的高效光互联互通、太比特量级数据的接入复用、射频信号与光信号之间的自由切换和有效路由等。

6 结论

文章研究并分析了光频梳在空间时频基准、空间时频传输、精密测量、大容量相干光通信等空间应用领域的最新研究进展。目前,相关技术已陆续在实验室内完成验证,其中空间时频基准技术已投入实际工程应用,但真正实现广泛的工程化应用仍需在以下方面开展深入研究:

1)提升小型化设备性能。就性能而言,目前小型化改进的光纤、电光、微腔光频梳设备在噪声、精度、稳定性、输出功率、光学效率等方面仍无法与引入完善控制设备但复杂庞大的商品级光频梳系统相比拟。然而,考虑到空间应用的实用性和发展趋势,仍需深入拓展光频梳设备技术方案和加工工艺层面紧凑化的可能性,进一步减小光频梳设备的体积和重量以使其更好地与其他系统集成,从而在实际任务中实现更加灵活和便捷的应用。这需要研究人员进一步提高半导体激光器、电光调制器件、波导和光学微腔等方面微纳加工和片上集成与封测工艺,并开发新的调控方案以提升小型化设备的性能参数。

2)提升空间环境适应性。现阶段光纤光梳仍是空间应用领域的首选,但其在复杂太空环境下材料损伤、性能劣化、稳定性降低等限制因素要求对光纤光梳系统的光路、电路、材料、机械、控制方面作全面优化。一方面,通过引入自适应和自校准算法,使光频梳能够自动调整和优化自身的性能;另一方面,可通过引入自动化和智能化管理技术,例如机器学习、人工智能,使光频梳系统能够灵活智能进行资源分配,并能够实时监测和分析自身设备状态,快速检测故障并自动恢复。这将提高光频梳在空间应用的稳定性和可靠性,以更好应对空间环境中的温度变化、光学元件老化和系统漂移。

3)实现微腔光梳瓶颈突破。微腔光梳具备高频率精度、宽带宽、高稳定性、可紧凑集成以及可大规模流程化加工的优异性能,由于其需要高精度的加工工艺、控制技术的支持,目前尚未得到广泛应用。但其作为未来最具潜力的光频梳系统之一,克服技术瓶颈,使其实现长期稳定可靠运行具有重要现实意义与应用价值。这需要研究人员在制造和控制技术上进行持续的研究和创新:发展更稳定、可靠和可控的微腔材料,优化加工工艺,提高调谐范围和功率输出以及实现小型化片上集成。此外,通过与其他领域的交叉合作,如微纳光子学、半导体材料器件和加工封测技术等,也可以为微腔光梳的发展提供新的机遇和突破。

随着光频梳产生技术方案不断发展,更先进的调控手段使光频梳稳频锁频能力不断提升,低噪声、强相干、高稳定等性能参数不断优化。且随着光频梳系统向小尺寸、低功耗、可集成改进,光频梳应用于各领域的技术潜力必将得到更进一步挖掘。未来,随着光频梳芯片兼容半导体加工工艺进行大规模流程化加工,空间时频基准、空间时频传递、精密测量、大容量相干光通信等空间应用领域也将因此受益,实现跨越式发展。