陈根：通信系统的光纤传输，围绕无线电波建立的背后_风闻

文/陈根

在过去的一个世纪里，相干电磁波的产生和控制，如射频领域的电子振荡器或光学领域的激光，对人类社会产生了无与伦比的影响。

例如，利用参考原子跃迁的无线电波精确定时，可以加强全球定位系统的导航。现代通信系统就是围绕这种波的特性而建立的，它通过空气或环绕地球的光纤传输数据。这种技术进步依赖于对无线电波和光波及其产生和控制的设备的非常完善和统一的理论理解。

然而，令人惊讶的是，在20年前，无线电和光学技术领域在很大程度上仍然是相互独立的。虽然光波可以以无线电频率调制，同样地，通过解调光信号可以产生电流，但在无线电和光场之间并不存在简单的相干连接。

因此，许多用于合成和控制无线电频率的常用技术，包括导航、通信和测量的核心技术，对于光学来说似乎是未来主义的。相反，光学在时间标准、计量学和科学方面的全部潜力是无法获得的，尽管几十年来人们认识到了利用光学技术的机会并试图利用它们的技术影响。这种情况是由于光学领域的电磁波频率极高而引起的，因此限制了科学进步和技术能力。

1960年激光的发明代表了一种比无线电振荡器更早发明的光学模拟。这一发展促使人们努力在无线电和光学领域之间建立一个连贯的桥梁，将多个频率更高的振荡器连接在一起。然而，这些方法的复杂性和规模清楚地表明，这些系统将永远无法广泛使用，它们的能力将受到限制。

经过近40年的努力，飞秒激光技术、非线性光学和精密频率测量技术的综合进步实现了一项意想不到的突破，最终解决了这一问题。解决这些问题的关键是采用一种新的方法来产生和控制锁模激光器的光谱，这种激光器被称为光频率梳，与它所包含的频率梳的间隔规则一致。

尽管锁模激光器和光学频率梳以前就已经存在，但在2000年，人们证明了它们的光谱可以扩展到一个倍频程的光带宽上。这一关键性的进步使自参考技术成为可能，通过这种技术，梳状物的光学频率在绝对意义上锁定于射频基准。以一种简单而优雅的方式，这产生了一种类似于变速箱的光学时钟装置，它提供了光域和射频域之间的双向相干连接。

基于原子光学跃迁的光学钟，其工作频率远高于目前用作我们计时标准的微波原子钟。在《科学》杂志上上，科学家们回顾了历史背景下，这个强大的工具，和连贯统一的电磁频谱发展，科学家们还描述了频率梳功能、物理实现和应用方面的进展。