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脉冲序列,且这些脉冲之间的间隔等于光在腔内的往返时间,通常是十亿分之一秒左右。
观察这样的脉冲序列(见图30),你会发现相邻两个脉冲之间的时间间隔要比这些脉冲的持续时间长得多,看起来就像梳子的齿一样。
通过仔细调节产生脉冲的激光,可以使各个脉冲彼此相同,从而保证每个脉冲的电场在同一时间达到峰值。
图30 一系列几乎一模一样的单周期光脉冲。
脉冲序列的频谱看起来像梳齿,因此被称为“频率梳”
频率梳中的每个“齿”
在绝对频率处都有一个非常精确的位置。
一组精确校准的频率对于构建精确时钟非常重要,因为它使得我们可以直接将光学频率与其他较低频率(通常是微波)比较,这种比较一般通过电子设备来实现。
使用这一方法,我们可以将铯原子钟的频率(处于微波波段),与像锶原子或铝离子由于电子跃迁而产生的处于光学波段的频率进行直接比较。
例如,现在卫星导航中使用的标准铯原子钟,可以完成时间同步并以相同的时间间隔进行计时,其一亿年内的误差小于百万分之一秒(误差在1×10-18)。
这一结果是由锶或铝中的光电子振**频率的精度所决定的。
这种“光学钟表”
可以非常精确地比较不同的频率,因此可以提供一种测试相对论原理的方法,从而使我们更好地理解光在定义空间和时间方面的作用。
到目前为止,在所有物理量中——频率——也就是时间,是测量精度最高的。
光通信
频率梳在基于光的电信链路中也很重要。
在第3章中,我们已经知道光波可以沿着光纤或玻璃“芯片”
传播。
长途电信基础设施就是利用这一现象,连接起世界各个角落的居民,同时它也是互联网技术的基础。
光的通信之所以能得到如此广泛的应用,是因为与电线甚至微波蜂窝网络相比,它承载信息的能力更强。
这使得大规模数据传输成为可能,比如需要通过因特网传输视频的情况。
许多电信公司提供“光纤宽带”
服务。
这些服务把宽带的速度作为关键卖点,宣传可以加速到每秒100兆字节(Mbps)来接收和传输数据。
一个字节(byte)包含8个比特(bit),而每一个比特只能是数字1或者0。
信息以“0”
和“1”
组成的序列通过光纤发送,最终由计算机或移动电话将这些“0”
和“1”
的数字串解码为可以被人们轻松理解的视频、音频或文本消息。
在光通信中,每一个比特的“0”
或“1”
的信息由光束的强弱表示:通常低强度为0,高强度为1。
每秒送达的这些“0”
和“1”
的信号越多,通信速率也就越快。
电信公司服务中说的Mbps,就是我们在该公司链路上传输和接收信息的速度。
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