封面｜南京大学徐飞教授团队：解锁超快光源的“速度与激情”——高重频光纤光梳

封面解析

封面展示高重频（> GHz）光纤光梳，相比传统锁模光纤激光，它具有更大的梳齿间隔和更密集的时域脉冲序列，应用前景广阔；其利用光纤内的增益与耗散、色散与非线性，借助多样化机制，能够获取超越GHz乃至THz重频的光梳，在先进制造与加工、大容量光通信和精密计量等应用领域实现速度与质量双效提升，进而推动众多行业走上高速、高效、高精的未来赛道。

链接：丁梓轩, 汪国瑞, 周新新, 徐飞. 高重复频率光纤光频梳技术研究进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2025, 2(11): 1106001. 

随着诸多尖端科学和工业应用朝着高速化、精密化的方向迈进，高重复频率（简称“重频”）的重要性愈发凸显：高质量脉冲串激光加工要求种子光重频超1 GHz；天文光谱校准需光频梳重频在20 GHz以上；低噪声光子微波产生、大容量光通信等前沿应用甚至需100 GHz以上重频。

光纤光梳是以光纤为载体和主要增益介质的锁模光源，相较于经典的固体锁模激光器，它实现起来更为简单，同时具有体积更紧凑、成本更低、长期稳定性更高、热管理更有效等众多优势。然而受限于谐振腔长度，锁模光纤光源的重频长期以来远低于1 GHz，这在一定程度上限制了其更广泛的应用。

近年来，多种在光纤体系内实现高重频光梳的技术方案被提出并成功演示，将锁模光纤光源的重频提升至GHz、乃至THz量级，极大地拓展了光纤光梳的应用舞台。这些方案既包括基于锁模光纤激光的技术路线，也包括基于非线性光参量振荡的技术路线，充分发掘了光纤的多重维度、多种特性。

南京大学徐飞教授团队应邀围绕当前高重频（＞GHz）光纤光梳的基本原理、产生及其应用进展进行综述：介绍了光频梳和不同种类光纤光源的基本概念、工作原理和产生方式，并依次总结锁模光纤激光、非线性光纤光梳等光纤体系内产生高重频光梳的方法和最新研究进展，最后对高重频光纤光梳的相关应用场景进行展望，对高重频光纤光梳的发展方向进行了分析。

图1光纤光梳的产生。(a) 锁模激光的时域特征；(b) 光纤调制不稳定性增益谱示意图；(c) 非线性参量振荡过程频域示意图

光频梳在频域表现为一系列等间隔的频率梳齿，间隔为重频；在时域则表现为一串周期性的超短光脉冲，周期为重频的倒数。长期以来，构建锁模激光器是获得光频梳的主要手段；近十年来，基于谐振腔内非线性光参量振荡的克尔光频梳发展迅猛，已成为产生光频梳的另一个主流方式，如图1所示。而作为一个高效、灵活的平台，光纤既可以成为锁模激光的载体，也可以驱动克尔光梳的产生，目前已成为构建光频梳光源的主流技术路线之一。

图2 高重频光纤光梳技术路线

传统的光纤光梳研究重点一直集中于压缩脉宽（扩展光谱）、提高功率等方向，重频的提升曾长期未受重视。然而伴随越来越多的技术领域对超过GHz以至百GHz的超高重频脉冲提出需求，各种在光纤体系内实现高重频光梳的方式也接连被提出。尽管已有对低重频脉冲进行模式选择实现腔外重频倍增的方案，但其插入损耗、边模抑制比和稳定性难以控制。因此，本文主要聚焦于直接产生GHz以上高重频光梳的技术路线，包括锁模激光和非线性参量振荡两大类。如图2所示，目前高重频光纤锁模激光主要包括短腔锁模、主动锁模、谐波锁模等；而新兴的非线性参量振荡高重频光纤光源则包括耗散四波混频、微腔驱动、布里渊驱动、光纤法珀（Fabry-Perot，FP）腔克尔光梳等方案。（详情点击查看原文）

各种技术在重频量级、光谱带宽和脉冲宽度、可调谐性等指标性能方面都有差异，往往需要从需求出发进行选择。

过去十年来，高重频脉冲光源的创新应用场景层出不穷，高重频光纤光梳作为集成度高、场景适应性强的下一代光源，具有广阔的应用前景。

在精密加工领域，飞秒激光以其极高的峰值能量被广泛应用，然而过高的单脉冲能量会引发等离子体屏蔽从而降低烧蚀率，且多余的能量累积会导致严重的热损伤，难以实现高质量加工。研究表明，GHz重频的飞秒脉冲串可以在提高烧蚀效率的同时确保烧蚀质量，在加工过程中材料内部温度会因热累积和剥蚀冷却效应间达到平衡而保持恒定，从而引起无热效应的高质量烧蚀（图3(a)）。

在光通信领域，10 ~ 100 GHz量级超高重频的锁模光源能够与现行的密集波分复用标准的信道间隔相匹配，使其既可以作为载波实现高速数据传输，又可以在相干光通信系统的接收端作为本振参考源使用。

在精密测量领域，光梳技术的精密测量具有瞬时带宽大、损耗低、抗电磁干扰能力强等特点，在测距、频谱分析、频率测量、雷达、天文学等领域有着广泛的应用；而更高的重频也意味着更快的测量速度和数据刷新率，这对于高动态场景的探测和追踪具有重要意义（图3(b)）。此外，在微波光子学、天文学等领域，高重频光纤光梳也发挥着重要价值（图3(c)）。

图3 高重频光纤光梳的典型应用。(a) 高速高质量精密加工；(b) 高速双光梳光谱测量；(c) 天文梳

高重频光纤光梳是在光纤体系内将光学频率梳的速度指标推向极致的产物，兼具光频梳卓越的光学、射频特性，以及光纤光源灵活的场景适应性，为全光纤、集成化的科研与产业应用提供了广阔的平台支撑；其实现方式多元，光频和射频覆盖范围宽广，脉宽参数可定制，全光纤兼容性较好。与成熟光电技术深度融合后，一体式“高频光纤光梳工作站”指日可待。

然而，高重频光纤光梳的研究依然面临着亟需解决的重要课题。

1）在性能提升上，如何突破现有技术瓶颈，将重频进一步提升、脉宽进一步压缩，把工作频率推向THz领域，是科研人员必须探索的新方向；

2）在器件优化上，实现高重频光纤光梳参数的可调谐以及光源的小型化，对光纤集成的微纳光电器件提出了更为严苛的要求；

3）在应用拓展上，开发其他工作波段的高重频光纤光梳，尤其是向中红外波段领域进军，对诸多光谱学应用意义重大。

当下，愈发复杂精细的应用需求，正推动高重频光纤光梳成为光学、微电子学、材料学、化学乃至生物医学等多学科交叉融合的前沿阵地。未来，这一领域机遇与挑战并存。

南京大学光纤集成与交互课题组的研究专注于光纤集成、人机交互和智能感知等领域，在光纤基器件加工制造工艺与设备、高温高压等极端环境物理化学量测量、眼脑机交互控制、内窥成像及多功能感知等方面开展了深入研究。课题组成员目前包括教授1名、研究员1名、助理教授1名、博士后专职研究人员3名、博士硕士研究生20多名。团队负责人徐飞获得国家基金委“杰出青年基金”，“优秀青年基金”资助，承担多项国家级和省部级项目。团队科研成果共获得授权发明专利50项（含3项国际专利），在Sci. Adv.、Nat. Comm.、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Optica 等期刊共发表SCI论文180篇、邀请综述20篇和英文专著章节10篇，主编英文专著1本。