ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงแบบหวีความถี่แสงคืออะไร? ตอนที่หนึ่ง

หวีความถี่แสง (Optical frequency comb) คือสเปกตรัมที่ประกอบด้วยส่วนประกอบความถี่ที่มีระยะห่างเท่าๆ กันบนสเปกตรัม ซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้โดยเลเซอร์แบบล็อกโหมด (mode-locked lasers) ตัวเรโซเนเตอร์ หรือตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงหวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นโดยตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกมีคุณสมบัติเด่น เช่น ความถี่ในการทำซ้ำสูง การอบแห้งภายใน และกำลังสูง เป็นต้น ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการสอบเทียบเครื่องมือ สเปกโทรสโกปี หรือฟิสิกส์พื้นฐาน และได้รับความสนใจจากนักวิจัยมากขึ้นเรื่อยๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

เมื่อเร็วๆ นี้ Alexandre Parriaux และคณะจากมหาวิทยาลัย Burgendi ในฝรั่งเศส ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยทบทวนในวารสาร Advances in Optics and Photonics ซึ่งนำเสนอความก้าวหน้าล่าสุดในการวิจัยและการประยุกต์ใช้หวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นโดยอย่างเป็นระบบการปรับเปลี่ยนทางอิเล็กโทรออปติกเนื้อหาประกอบด้วย การแนะนำหวีความถี่แสง วิธีการ และลักษณะเฉพาะของหวีความถี่แสงที่สร้างขึ้นโดยตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกและสุดท้ายได้ระบุถึงสถานการณ์การใช้งานต่างๆ ของตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกบทความนี้กล่าวถึงหวีความถี่แสงโดยละเอียด รวมถึงการประยุกต์ใช้ในสเปกตรัมความแม่นยำสูง การรบกวนของหวีความถี่แสงคู่ การสอบเทียบเครื่องมือ และการสร้างรูปคลื่นตามอำเภอใจ ตลอดจนอภิปรายหลักการเบื้องหลังการประยุกต์ใช้งานต่างๆ สุดท้าย ผู้เขียนได้กล่าวถึงแนวโน้มของเทคโนโลยีหวีความถี่แสงแบบอิเล็กโทรออปติกโมดูเลเตอร์

01 ข้อมูลเบื้องต้น

เมื่อ 60 ปีที่แล้วในเดือนนี้ ดร. ไมแมน ได้ประดิษฐ์เลเซอร์ทับทิมตัวแรก สี่ปีต่อมา ฮาร์โกรฟ ฟ็อค และพอลแล็ค จากห้องปฏิบัติการเบลล์ในสหรัฐอเมริกา เป็นกลุ่มแรกที่รายงานการล็อกโหมดแบบแอคทีฟที่เกิดขึ้นในเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน สเปกตรัมของเลเซอร์ล็อกโหมดในโดเมนเวลาแสดงเป็นการปล่อยพัลส์ ในโดเมนความถี่เป็นชุดของเส้นสั้นๆ ที่แยกจากกันและมีระยะห่างเท่ากัน คล้ายกับหวีที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน ดังนั้นเราจึงเรียกสเปกตรัมนี้ว่า "หวีความถี่แสง"

เนื่องจากศักยภาพในการประยุกต์ใช้ที่ดีของหวีแสง (optical comb) ทำให้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2005 มอบให้แก่ Hansch และ Hall ผู้ซึ่งได้ทำการวิจัยบุกเบิกเทคโนโลยีหวีแสง นับตั้งแต่นั้นมา การพัฒนาหวีแสงจึงก้าวไปสู่ขั้นใหม่ เนื่องจากการประยุกต์ใช้ที่แตกต่างกันมีความต้องการหวีแสงที่แตกต่างกัน เช่น กำลัง ระยะห่างระหว่างเส้น และความยาวคลื่นกลาง จึงทำให้จำเป็นต้องใช้วิธีการทดลองที่แตกต่างกันในการสร้างหวีแสง เช่น เลเซอร์แบบล็อกโหมด (mode-locked lasers) ไมโครเรโซเนเตอร์ (micro-resonators) และตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า (electro-optical modulator)

รูปที่ 1 สเปกตรัมในโดเมนเวลาและสเปกตรัมในโดเมนความถี่ของหวีความถี่แสง
ที่มาของภาพ: หวีความถี่อิเล็กโทรออปติก

นับตั้งแต่การค้นพบหวีความถี่แสง หวีความถี่แสงส่วนใหญ่ถูกผลิตขึ้นโดยใช้เลเซอร์แบบล็อกโหมด ในเลเซอร์แบบล็อกโหมด จะใช้โพรงที่มีเวลาเดินทางไปกลับ τ เพื่อกำหนดความสัมพันธ์ของเฟสระหว่างโหมดตามยาว เพื่อกำหนดอัตราการทำซ้ำของเลเซอร์ ซึ่งโดยทั่วไปสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่เมกะเฮิร์ตซ์ (MHz) ถึงกิกะเฮิร์ตซ์ (GHz)

แถบความถี่แสงที่สร้างขึ้นโดยไมโครเรโซเนเตอร์นั้นอาศัยปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น และเวลาเดินทางไปกลับจะถูกกำหนดโดยความยาวของไมโครแควิที เนื่องจากความยาวของไมโครแควิทีโดยทั่วไปน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร แถบความถี่แสงที่สร้างขึ้นโดยไมโครแควิทีจึงมักอยู่ในช่วง 10 กิกะเฮิร์ตซ์ถึง 1 เทราเฮิร์ตซ์ ไมโครแควิทีมีสามประเภทที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ไมโครทิวบูล ไมโครสเฟียร์ และไมโครริง การใช้ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นในใยแก้วนำแสง เช่น การกระเจิงแบบบริลลูอิน หรือการผสมคลื่นสี่คลื่น ร่วมกับไมโครแควิที สามารถสร้างแถบความถี่แสงในช่วงหลายสิบนาโนเมตรได้ นอกจากนี้ แถบความถี่แสงยังสามารถสร้างได้โดยใช้ตัวปรับสัญญาณอะคูสโตออปติกบางชนิด