航空航天应用频率梳
2025年01月10日 00:00
（作者：Esther Baumann, Jeff Chiles, and Ian Coddington，
单位：美国标准和技术研究所(NIST)）
（作者：Andrew Attar and Kevin Knabe，单位：Vescent Photonics）
（作者：David Carlson，单位：Octave Photonics）
▎摘要
从诞生之日起，频率梳就开启了一系列令人兴奋的新的科学应用。其不仅可以实现美国国家航空航天局现有的优先事项，还能利用这项技术实现独特时间和频率精度，为未来开展全新的实验提供帮助[1]。未来的太空实验将需要开发并验证一种与恶劣环境相兼容，同时保持小尺寸、轻重量和低功耗的光学频率梳。“Space-deployable frequency combs（空间可部署频率梳）将对美国国家航空航天局（NASA）的下一代精密频率和定时应用产生广泛影响。
▎正文
在过去十年中，频率梳已成为一种精密测量应用的关键使能技术，它能够在整个光谱以及微波范围内提供10-19 频率稳定性，并实现阿秒级的时间测量能力。这种独特的能力开辟了一系列非凡和新颖的传感器传感应用。对NASA来说，频率梳已被提议用于一系列重要应用中。例如用于测量卫星的精密径向速度测量、支持卫星的超精密编队飞行的纳米级距离测量、探测重力异常，用于毫米波天文望远镜阵列同步的飞秒级时间传递，对温室气体的灵敏检测，以及对光学原子钟至关重要的高保真分频器等应用。
图1. 新型光学频率梳阵列在空间中的应用
这种应用设想虽然让人振奋，但如何研制这种可部署频率梳，在恶劣的太空环境下实现如此高精密的测量，却是一个巨大的挑战。为此，首先要增加可部署频率梳的坚固性，以在发射过程中能够生存下来并确保远程操作，其次是减小其光学系统的尺寸、重量和功率（SWaP），以便它们可以在卫星上运行。另外，还必须降低其成本。毕竟对大多数以上设想的精密的测量，频率梳只是其所需的一个子系统，不能超过总的仪器预算。从SWaP和降低成本两个方面考虑，掺铒光纤频率梳是空间可部署频率梳的一个特别有前途的选择。目前，全保偏光纤的掺铒光纤频率梳已经被证明了具备良好的紧凑性和长期可靠性 [10,13]，支持 10-15/s1/2 频率稳定性和无相位滑移操作，满足了几乎所有的时序和保真度要求 [11]。同时，光纤频率梳已经在探空火箭上成功发射 [10]，锁模飞秒光纤振荡器在低地球轨道上得到演示 [14]。这些实验只是开启了铒光纤频率梳在太空部署的第一步，但在成熟度还有很多的工作要做，例如，现有的抗辐射设计降低了 SWaP能力，并降低了系统在恶劣的环境条件下的稳定性。
驱使这些装置降低SWaP 和提升抗辐照能力的因素之一是由于光频梳的高脉冲光功率。为此需要采用光纤放大器实现非线性频率转换，从而实现稳定光频率梳。传统上，高掺杂铒光纤放大器必然使用高非线性光纤，用于产生高功率脉冲并在展宽其频谱。为此，驱动这些光纤放大器所需的泵浦二极管可能要消耗超过 10 W 的功率，或占用整个光频梳一半以上的功耗。另外，因为大多数电信光纤常见的锗掺杂在太阳辐射下会增加损耗，与地面光频梳相比，可用于空间光频梳的掺杂光纤的选择大大减少。NIST 和 Octave Photonics 对光纤耦合非线性波导 [15‒16] 的最新进展表明，通过将光束限制在定制的波导内，可使得光频率转换的效率更高，这可以显著降低光放大器的功耗。除了能够明显降低 SWaP 之外，非线性耦合波导的另一个优点是它们具有良好抗辐照能力。因此，NIST、Vescent Photonics 和 Octave Photonics 最近都在努力将该技术推广到到商业领域。
图2a）Vescent 当前的光纤频率梳模块。包括梳状光学器件、光探测电路和腔体振荡器长度控制电路。出于热管理原因，泵浦二极管目前不包括在此封装中，但计划在未来版本中采用。
图2b）光纤振荡器模块或频率梳系统的“引擎”。该模块包含光学元件和腔长控制执行器，但不包括电子元件或泵浦二极管。
图2c）在空军BAA 资助下开发的原型抗辐射光纤频率梳。目前正在评估其中一些系统是否用于卫星部署。该系统包括 Octave Photonics 的非线性波导的初始原型。
图2d）用于频率梳应用的泵浦二极管模块。该装置包含电流和温度控制器，最多可容纳4 个泵浦二极管来驱动两个频率梳系统。
在过去六年中，Vescent 利用 SBIR（美国小型企业创新研究计划）和 美国空军BAA (跨机构公告) 的拨款来降低光纤频率梳的尺寸、重量、功耗和成本，同时提高其对环境影响的坚固性，以便用于空间部署。以上大部分资助来自美国空军和 NASA，用于推进光纤梳在下一代定位、导航和授时（PNT）应用，包括光学原子钟和双向时间传递。其中一些工作需要设计、制造和测试抗辐射光纤频率梳，以便在卫星平台部署双光子铷钟。以上研究虽然在减小尺寸和将这些系统带出实验室方面取得了进展，但要达到适合立方卫星任务（CubeSat operation）的尺寸、功耗和整体坚固性，还需要更多努力。通过持续开发抗辐射频率梳和非线性纳米光子学，可以实现支持前沿科学的梳状平台。虽然在降低 SWaP 和将这些系统推出实验室方面已经取得了进展，但仍需要在尺寸、功耗和整体耐用性付出更多努力，以满足CubeSat operation的需求。未来，通过抗辐射频率梳和非线性纳米光子学的持续发展，可以实现支持这种尖端的光频梳系统。
▎结论
虽然研发低SWaP 和抗辐射光频梳的努力已经取得了初步成功，但要实现在卫星上的部署，仍有大量工作要做。进一步降低系统 SWaP 对于支持 CubeSat 任务至关重要。此外，虽然频率梳已准备好进行飞行测试，并在欧洲和亚洲进行了初步演示，但这项技术尚未在美国境内飞行。NASA 在光频梳的低 SWaP 和抗辐射这两个方面的努力将为未来应用带来福音。
▎参考文献
1. S. Leifer, et.al., “Optical Frequency Combs for Space Applications,” Report to the Keck Institute for Space Studies, 2018. https://authors.library.caltech.edu/89272/.
2. S. A. Diddams, "The evolving optical frequency comb [Invited]," J. Opt. Soc. Am. B 27, B51 B62 (2010).
3. Fortier, T., Baumann, E. 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications. Commun Phys 2, 153 (2019).
4. X. Yi et.al. “Demonstration of a near-IR line-referenced electro-optical laser frequency comb for precision radial velocity measurements in astronomy”, Nature Communications, 7, 10436 (2016).
5. H Linz, et. al., "Infrared astronomy satellite swarm interferometry (IRASSI): overview and study results", Advances in Space Research, 65, Pages 831-849 (2020).
6. K. Beha, et.al., "Real-time Sub-micron Ranging using a Dual Comb System", European Quantum Electronics Conference 2017, ISBN: 978-1-5090-6736-7.
7. I. Coddington, et.al., “Rapid and precise absolute distance measurements at long range,”, Nature Photonics, 3, 351, (2009).
8. Laura C. Sinclair, et.al., “Synchronization of clocks through 12 km of strongly turbulent air over a city” Appl. Phys. Lett. 109, 151104 (2016).
9. Nicolas Cézard, et.al. "Recent advances on fiber-based laser and Lidar systems for future space-borne monitoring of greenhouse gas", Proceedings Volume 11852, International Conference on Space Optics (2021).
10. M. Lezius, et.al. "Space-borne frequency comb metrology," Optica 3, 1381–1387 (2016). 11. D. Herman, et.al., “Femtosecond Timekeeping: Slip-Free Clockwork for Optical Timescales” Phys. Rev. Appl. 9, 044002 (2018).
11. Kyle W. Martin, et.al., “Compact Optical Atomic Clock Based on a Two-Photon Transition in Rubidium” Phys. Rev. Appl. 9, 014019 (2018).
12. L.C. Sinclair, et.al., "Invited Article: A compact optically coherent fiber frequency comb," Review of Scientific Instruments. 86, 081301 (2015).
13. Joohyung Lee, et.al., "Testing of a femtosecond pulse laser in outer space", Scientific Reports,4, 5134 (2014).
14. D. R. Carlson, et.al., "Self-referenced frequency combs using high-efficiency silicon-nitride waveguides," Opt. Lett. 42, 2314–2317 (2017).
15. Jeff Chiles, et.al., "Multifunctional integrated photonics in the mid-infrared with suspended AlGaAs on silicon", Optica 6, 1246 (2019).
▎原理与背景
太空光频梳应用1：寻找系外行星的精密径向速度测量
· 原理：当系外行星围绕恒星运行时，会使恒星产生微小的径向速度变化。通过测量恒星光谱中吸收线的多普勒频移，可以推断出恒星的径向速度变化，从而发现系外行星。频率梳可以提供高精度的频率参考，用于精确测量恒星光谱中吸收线的频率变化，进而提高径向速度测量的精度。
· 优势：传统的径向速度测量方法精度有限，难以探测到质量较小或距离较远的系外行星。而频率梳技术的高频率稳定性和精度，能够使径向速度测量精度达到厘米每秒甚至更高，从而大大提高了发现系外行星的概率和准确性。
太空光频梳应用2：
纳米级距离测量以支持卫星的超精密编队飞行或探测重力异常
· 原理：基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法，利用单个频率梳齿进行最高精度的距离测量，由各级合成波长进行测程扩展。通过测量光在卫星之间传播的时间延迟，结合频率梳的高精度频率测量能力，实现纳米级的距离测量。
· 优势：在卫星超精密编队飞行中，纳米级的距离测量精度可以确保卫星之间的相对位置精确控制，从而实现更复杂的空间任务，如合成孔径雷达干涉测量等。在探测重力异常方面，精确的距离测量可以帮助监测地球重力场的微小变化，对于研究地球内部结构、海洋环流等具有重要意义。
太空光频梳应用3：飞秒时间传递以同步毫米波天文望远镜阵列
· 原理：利用光频梳在光频段与无线电射频段之间的桥梁作用，将光频梳产生的飞秒脉冲序列通过光纤或自由空间传输到各个望远镜站点，作为时间同步的基准信号。通过精确控制飞秒脉冲的传输时间和频率，实现毫米波天文望远镜阵列中各个望远镜之间的高精度时间同步。
·优势：毫米波天文观测需要多个望远镜协同工作，形成干涉阵列以提高观测分辨率。高精度的时间同步是保证干涉测量精度的关键，频率梳的飞秒时间传递技术可以将时间同步精度提高到飞秒量级，从而大大提高了毫米波天文望远镜阵列的观测性能。
太空光频梳应用4：对温室气体的灵敏检测
· 原理：频率梳光谱技术可以产生宽带、高分辨率的光谱，覆盖温室气体的吸收光谱范围。当光通过含有温室气体的样品时，温室气体会吸收特定频率的光，导致光谱中出现吸收峰。通过测量这些吸收峰的位置和强度，利用频率梳的高精度频率测量能力，可以精确确定温室气体的种类和浓度。
· 优势：传统的温室气体检测方法往往存在精度低、响应慢、无法实时监测等问题。频率梳光谱技术具有高灵敏度、高分辨率、快速响应等优点，可以实现对温室气体的实时、高精度检测，为气候变化研究和环境监测提供了有力的技术支持。
太空光频梳应用5：作为对光学时钟至关重要的高保真分频器
· 原理：光学时钟通常基于原子或离子的光学跃迁，其频率非常高，难以直接测量和应用。频率梳可以作为高保真分频器，将光学频率精确地分频到微波频段，与传统的微波原子钟进行比对和校准，从而实现对光学时钟的精确测量和控制。
· 优势：光学时钟具有比微波原子钟更高的频率稳定性和精度，是未来时间基准的发展方向。频率梳作为光学时钟的关键组成部分，其高保真分频能力可以确保光学时钟的性能充分发挥，为实现超高精度的时间计量和同步提供了技术保障。
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