斯坦福大学的研究人员推出了一种新型频率梳，这是一种高精度测量设备，具有创新性的小型、超节能且极其准确的特点。随着不断的发展，这一突破性的“微梳”(3月7日发表在《自然》杂志上的一项研究对此进行了详细介绍)可能成为大众市场在日常电子产品中采用该设备的基础。
频率梳是一种特殊的激光器，可以产生均匀间隔的光线，类似于梳子的齿，或者更恰当地说，类似于尺子上的刻度线。在其发展的大约四分之一个世纪中，这些“光尺”彻底改变了多种高精度测量，从计时到通过光谱进行分子检测。然而，由于频率梳需要笨重、昂贵且耗电的设备，因此它们的部署很大程度上仅限于实验室环境。
研究人员发现了解决这些问题的方法，将两种不同的小型化频率梳方法集成到一个简单、易于生产的微芯片式平台中。研究人员为其多功能技术设想的众多应用包括功能强大的手持式医疗诊断设备和广泛的温室气体监测传感器。
该研究的主要作者、AmirSafavi-Naeini实验室的博士后学者HubertStokowski表示：“我们的频率梳结构将新兴微梳技术的最佳元素整合到一个设备中。”“我们有可能扩展我们的新型频率微梳，以实现紧凑、低功耗且廉价的设备，这些设备几乎可以部署在任何地方。”
应用物理系副教授萨法维-纳埃尼(Safavi-Naeini)表示：“我们对这种新型微梳技术感到非常兴奋，我们已经在新型精密传感器中展示了这种技术，这些传感器既小又高效，有朝一日可以安装在某人的手机中。”斯坦福大学人文与科学学院的教授，也是该研究的资深作者。
争吵灯
这种新设备称为集成调频光参量振荡器(FM-OPO)。
该工具的复杂名称表明它结合了两种策略来创建构成频率梳的不同频率范围或光颜色。一种称为光学参量振荡的策略涉及在晶体介质内反射激光束，其中产生的光将自身组织成相干、稳定的波脉冲。
第二种策略的重点是将激光发送到腔体中，然后通过向设备应用射频信号来调制光的相位，最终产生类似光脉冲的频率重复。
这两种微梳策略尚未得到广泛使用，因为两者都有缺点。这些问题包括能源效率低下、调整光学参数的能力有限以及梳状“光学带宽”不理想，其中梳状线随着距梳状中心的距离增加而消失。
研究人员通过基于薄膜铌酸锂材料的非常有前景的光电路平台的工作，重新应对了这一挑战。与行业标准材料硅相比，该材料具有优越的特性。其中两个有用的特性是“非线性”(它允许不同颜色的光束相互作用以产生新的颜色或波长)，并且广泛的光波长可以通过它。
研究人员使用集成铌酸锂光子学制造了新型频率梳的核心组件。这些光操纵技术建立在相关的、更成熟的硅光子学领域的进步之上，该领域涉及在硅微芯片上制造光学和电子集成电路。通过这种方式，铌酸锂和硅光子学都扩展到了传统计算机芯片中的半导体，其根源可以追溯到20世纪50年代。
“铌酸锂具有硅所没有的某些特性，没有它，我们就无法制造我们的微梳设备，”萨法维-纳埃尼说。
表现出乎意料的出色
接下来，研究人员将光学参量放大和相位调制策略的要素结合在一起。该团队预计铌酸锂芯片上的新型频率梳系统具有某些性能特征，但事实证明他们所看到的远远好于他们的预期。
总体而言，梳子产生连续输出而不是光脉冲，这使研究人员能够将所需的输入功率降低大约一个数量级。该设备还产生了方便的“扁平”梳，这意味着波长距离光谱中心较远的梳线强度不会减弱，从而在测量应用中提供更高的精度和更广泛的实用性。
“我们对这把梳子感到非常惊讶，”萨法维-纳伊尼说。“虽然我们有一些直觉，我们会得到类似梳子的行为，但我们并没有真正尝试制造这种类型的梳子，我们花了几个月的时间来开发解释其主要特性的模拟和理论。”
为了进一步了解他们性能优异的设备，研究人员向斯坦福大学JGJackson和CJWood物理学教授兼应用物理学教授MartinFejer寻求帮助。费耶尔与斯坦福大学的其他同行一起帮助推进了现代薄膜铌酸锂光子技术和对材料晶体特性的理解。
Fejer也是该研究的合著者，他将微梳背后的物理原理与20世纪70年代科学文献中讨论的思想(特别是斯坦福大学应用物理和电气工程荣誉教授StephenHarris首创的概念)之间建立了关键联系。
经过进一步打磨，新型微梳应该可以在传统的微芯片代工厂轻松制造，具有许多实际应用，例如传感、光谱学、医疗诊断、光纤通信和可穿戴健康监测设备。
斯托科夫斯基说：“我们的微梳芯片可以放入任何东西中，整个设备的尺寸取决于电池的尺寸。”“我们展示的技术可以应用于低功耗个人设备(手机大小甚至更小)，并服务于各种有用的目的。”
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