陳根：通信系統的光纖傳輸，圍繞無線電波建立的背後_風聞

文/陳根

在過去的一個世紀裏，相干電磁波的產生和控制，如射頻領域的電子振盪器或光學領域的激光，對人類社會產生了無與倫比的影響。

例如，利用參考原子躍遷的無線電波精確定時，可以加強全球定位系統的導航。現代通信系統就是圍繞這種波的特性而建立的，它通過空氣或環繞地球的光纖傳輸數據。這種技術進步依賴於對無線電波和光波及其產生和控制的設備的非常完善和統一的理論理解。

然而，令人驚訝的是，在20年前，無線電和光學技術領域在很大程度上仍然是相互獨立的。雖然光波可以以無線電頻率調製，同樣地，通過解調光信號可以產生電流，但在無線電和光場之間並不存在簡單的相干連接。

因此，許多用於合成和控制無線電頻率的常用技術，包括導航、通信和測量的核心技術，對於光學來説似乎是未來主義的。相反，光學在時間標準、計量學和科學方面的全部潛力是無法獲得的，儘管幾十年來人們認識到了利用光學技術的機會並試圖利用它們的技術影響。這種情況是由於光學領域的電磁波頻率極高而引起的，因此限制了科學進步和技術能力。

1960年激光的發明代表了一種比無線電振盪器更早發明的光學模擬。這一發展促使人們努力在無線電和光學領域之間建立一個連貫的橋樑，將多個頻率更高的振盪器連接在一起。然而，這些方法的複雜性和規模清楚地表明，這些系統將永遠無法廣泛使用，它們的能力將受到限制。

經過近40年的努力，飛秒激光技術、非線性光學和精密頻率測量技術的綜合進步實現了一項意想不到的突破，最終解決了這一問題。解決這些問題的關鍵是採用一種新的方法來產生和控制鎖模激光器的光譜，這種激光器被稱為光頻率梳，與它所包含的頻率梳的間隔規則一致。

儘管鎖模激光器和光學頻率梳以前就已經存在，但在2000年，人們證明了它們的光譜可以擴展到一個倍頻程的光帶寬上。這一關鍵性的進步使自參考技術成為可能，通過這種技術，梳狀物的光學頻率在絕對意義上鎖定於射頻基準。以一種簡單而優雅的方式，這產生了一種類似於變速箱的光學時鐘裝置，它提供了光域和射頻域之間的雙向相干連接。

基於原子光學躍遷的光學鍾，其工作頻率遠高於目前用作我們計時標準的微波原子鐘。在《科學》雜誌上上，科學家們回顧了歷史背景下，這個強大的工具，和連貫統一的電磁頻譜發展，科學家們還描述了頻率梳功能、物理實現和應用方面的進展。