光學頻率梳（OFC）已經成為精確測量頻率和距離的重要工具，已經在 LiDAR、微納器件的 3D 表面輪廓和引力波探測等領域被廣泛應用。典型的 OFC 測量涉及許多的飛行時間檢測，它通過檢測激光脈沖從物體反射并返回探測器（通常是光學干涉儀）所需的時間來測定到物體或表面的距離。雖然測量概念很簡單，但要同時精確且快速地完成測量極具挑戰，通常需要犧牲其中一項。

近期，中科院西安光學精密機械研究所(XIOPM)和華中科技大學(HUST)的研究人員開發了一種新型精密測距方法，使用兩個光學頻率梳來達到測量精度和測量速度的最佳平衡。在該項目中， Moku:Lab — 基于 FPGA 的可重構的精密測試測量儀器，為科研人員提供了一體化精簡的激光鎖頻解決方案，不僅顯著提高了測量質量且加速了項目進展。相關研究成果以“Rapid and precise distance measurement with hybrid comb lasers”為題發表于Advanced Photonics Nexus。

簡介與挑戰

實驗中有多個因素限制了距離測算的精度，包括激光頻率的穩定性和測量系統的時間分辨率。而光頻梳則是一種有助于解決這個問題的獨特工具，它能以極其穩定的重復頻率生成超短（飛秒）光脈沖信號。如圖 1 所示，重復頻率是 OFC 的重要指標，它決定了頻率分辨率-在頻域上的“梳齒”間距。

雙光頻梳測距技術通過結合使用兩個OFC來提高性能，也成為近年來測距領域的研究熱點。通過使用一個重復頻率略有不同的 OFC 作為本地振蕩器(LO)，光譜分辨率可以降低到Δf，即兩個 OFCs 的重復頻率之差（圖. 1d）。雖然雙 OFC 系統的穩定性對于精確測距很有幫助，但重復頻率低意味著兩者之間脈沖發出時間間隔很大（圖. 1a）。這限制了 LiDAR 系統計算目標信息的速率，通常稱為更新速率。

圖 1. 不同雙光頻梳的干涉測量特點。光纖光頻梳和微光頻梳各有優勢和劣勢。轉載自[1]。

解決這一問題的一個潛在方法是使用微環諧振腔(micro-ring resonator, MRR)或 Kerr 頻率梳作為 OFC。西安光機所和華中科技大學的科研團隊開發了一種 DFC (dual-frequency comb)方法，該方法結合了傳統 OFC 和 MRR 的優點，在保持高精度測量的同時大幅提高更新速率。

解決方案

微環諧振腔通常是刻蝕在基材上的小結構件，在使用泵浦激光驅動時可以生成光頻梳。雖然 MRR的重復頻率可以達到很高的水平（圖 1b），但是它們也有重復頻率波動和光頻不穩定的問題，這限制了長時測距的精確度。

西安光機所和華中科技大學的科研團隊提出的解決方案時使用一個光纖光頻梳和一個 MRR 組成的 DFC 系統，如 圖 2 所示。在這個系統中，一路調制的二極管激光（ECDL）用于 MRR 的泵浦源。在探測用于檢測的樣品前MRR 的輸出會經過一個光纖放大器（EDFA）。光纖光頻梳不僅提供了穩定的本振源來用于解調，同時十分重要的是提供了參考信號用于鎖定泵浦激光器。Moku:Lab 的激光鎖頻/穩頻器（圖 2 中標記為“Servo”）用于閉環反饋，監測泵浦激光器和超穩光頻梳之間誤差信號并通過內置的 PID 控制器來提供反饋信號給激光器，它會修正泵浦激光頻率到我們的設定值。通過這個方式，科研人員可以精確且快速地控制兩個激光源之間的頻率差。而MRR 輸出信號的穩定性也會受益于泵浦激光穩定性的提升。

西安光機所的博士王志闖同時本篇文章的第一作者表述：Moku激光鎖頻/穩頻器在提高 DFC 系統的測量精度方面發揮了巨大作用：

“我們嘗試過其他伺服器，但性能不夠好。我使用Moku 有一年半了，非常喜歡激光鎖頻/穩頻器的高度集成性。它不需要外部混頻器，同時自帶 PID 控制器。”

圖 2. 西安光機所 DFC 測距實驗示意圖。轉載自[1]

結果

通過使用混合 DFC 系統，西安光機所和華中科技大學的科研團隊可以充分利用 MRR 的高重復頻率和光纖光頻梳的穩定性。為了對他們的系統進行評估，他們對一個快速旋轉的圓盤進行成像操作，圓盤上有深淺不一的凹槽。結果可以在圖. 3f 中與商用坐標檢測系統(CMM)一起比較。

圖 3. 測量結果來自參考 1 中的文章。包含(e)圖的重要結果，DFC 系統的 Allan 方差檢測結果，(f)在帶凹槽圓盤上進行測距實驗的結果。轉載自[1]。

有了泵浦激光鎖定后增加的穩定性，團隊最終確定了他們的 DFC 系統的測量精度可以在 4.136 μs 平均時間下達到 3.572 μm，在 827.2 μs 平均時間下 達到 432 nm。由于 MRR 和光纖光頻梳巨大的重復頻率差，當與雙光纖光頻梳系統比較時，該系統的測量速度提升了近 200倍。

團隊開發的 DFC 系統是一種同時保持極高測量精度和快速更新速率的超穩測距解決方案，同時又兼具動態控制的特點。亞微米 LiDAR 傳感器可用于制造和加工領域，在這些領域中測量精度和靈活性至關重要。

盡管這個研究項目已經完成，王博士表示 Moku:Lab 上的其他儀器功能也可用于他將來的研究：

“我們計劃使用相位表來表征相位噪聲，同時使用時間間隔和頻率分析儀來測量Allan 方差。”