由加州理工学院的Kerry Vahala和他的合作者开发的频率微梳的艺术家概念。来源:Yuan, Bowers, Vahala等。
加州理工学院的研究人员利用超低损耗氮化硅，通过创新设计克服了色散的挑战，从而推进了频率微梳技术。这一发展可能导致微型梳子集成在紧凑的设备中，受益于具有成本效益的制造工艺。
我们上一次采访加州理工学院的克里·瓦哈拉(Kerry Vahala)是在三年前，他的实验室最近报告了一种名为“交钥匙频率微梳”(turnkey frequency microcomb)的新型光学设备的开发，该设备在数字通信、精密计时、光谱学甚至天文学方面都有应用。
微梳技术说明
这种装置在硅片上制造，输入一个频率的激光，并将其转换成一组间隔均匀的不同频率的脉冲，这些脉冲的长度可短至100飞秒(千万亿分之一秒)。(这个名字中的梳子来自于频率的间隔，就像梳子的齿一样。)
微梳材料的进展
现在，Vahala(80届学士，81届硕士，85届博士)，加州理工学院信息科学与技术与应用物理学的Ted and Ginger Jenkins教授和应用物理与材料科学的执行官，以及他的研究小组成员和加州大学圣巴巴拉分校的John Bowers小组的成员，在一种重要的新材料的短脉冲形成方式上取得了突破，这种材料被称为超低损耗氮化硅(ULL氮化物)，一种由硅和氮形成的化合物。将氮化硅制备得极纯并沉积在薄膜中。
原则上，由这种材料制成的短脉冲微梳设备需要非常低的功率才能运行。不幸的是，由于色散的特性，这种材料不能正确地产生短光脉冲(称为孤子)，色散会导致光或其他电磁波以不同的速度传播，这取决于它们的频率。ULL具有所谓的正常色散，这阻止了由ULL氮化物制成的波导支持微梳操作所需的短脉冲。
克服光学限制
在《自然光子学》杂志上发表的一篇论文中，研究人员讨论了他们对新型微梳的开发，该微梳通过成对产生脉冲来克服ULL氮化物固有的光学限制。这是一个重大的发展，因为ULL氮化物是用与制造计算机芯片相同的技术制造的。这种制造技术意味着这些微型梳子有一天可以集成到各种各样的手持设备中，类似于智能手机的形式。
设计与功能microcomb的性质
普通微梳最显著的特征是一个小的光学环路，看起来有点像一个小跑道。在运行过程中，孤子自动形成并围绕其循环。
“然而，当这个环是由ULL氮化物构成时，色散会使孤子脉冲不稳定，”合著者袁志全(21届硕士)说，他是一名应用物理学研究生。
把这个环路想象成一个赛车跑道。如果有些车开得快一些，有些车开得慢一些，那么它们就会在轨道上散开，而不是紧紧地挤在一起。同样，正常的ULL色散意味着光脉冲在微梳波导中扩散，微梳停止工作。
在这个动画gif中，可以看到光脉冲(孤子)在连接的光轨道中旋转。来源:Yuan, Bowers, Vahala等。
该团队设计的解决方案是创建多个赛道，将它们配对，使它们看起来有点像数字8。在这个“8”的中间，两条轨道彼此平行，之间只有很小的间隙。
如果我们继续使用赛道的类比，这就像是两条赛道直接共用一条赛道。当来自每条轨道的车辆汇聚到共享路段时，他们会遇到类似交通堵塞的情况。就像高速公路上两条车道合二为一迫使汽车减速一样，两个微梳的连接部分迫使成对的激光脉冲聚集在一起。这种聚集抵消了脉冲扩散的趋势，使微梳正常工作。
汽车在试图合并时堵在一起。类似的现象也发生在Kerry Vahala和其他研究人员开发的光学轨迹中。这种聚合是他们设备运行的关键。资料来源:俄勒冈州交通部
创新方法和未来展望
“实际上，这抵消了正常色散，并使整个复合系统相当于异常色散，”研究生和合著者高茂东(MS '22)说。
当一个人增加更多的赛道时，这个想法得到了扩展，团队已经展示了三个赛道如何通过创建两组脉冲对来运行。Vahala相信，即使有许多耦合的赛道(微梳)，这种现象也会继续起作用，从而提供了一种为孤子脉冲创建大型光子电路阵列的方法。
这种新型的微梳装置，作为一对连接的光轨道工作，在更大的数字组合时也能工作。来源:Yuan, Bowers, Vahala等。
如上所述，这些ULL微型梳子是用与基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造计算机芯片相同的设备制造的。鲍尔斯是一名电子和计算机工程教授，他参与了这项研究，并指出:“CMOS工艺的制造可扩展性意味着，现在制造短脉冲微梳并将其集成到现有技术和应用中会更容易、更经济。”
关于这些应用，Vahala说:“梳子就像光学领域的瑞士军刀。它有许多不同的功能，这就是为什么它是一个如此强大的工具。”
参考文献:“正常色散微谐振器中多色孤子脉冲对”，作者袁志全，高茂东，于艳，王和明，Warren Jin, Ji Qing-Xin, Avi Feshali, Mario Paniccia, John Bowers和Kerry Vahala, 2023年8月3日，Nature Photonics。DOI: 10.1038 / s41566 - 023 - 01257 - 2
描述这项研究的论文“正常色散微谐振器中多色孤子脉冲对”发表在11月的《自然光子学》杂志上。除了Vahala、Yuan和Gao，其他合著者还有应用物理研究生闫宇;王和明(21届硕士/博士)，曾供职于加州理工学院，现就职于斯坦福大学;加州大学圣巴巴拉分校的Warren Jin和Anello Photonics;季庆欣(MS '22);来自Anello Photonics的Avi Feshali和Mario Paniccia。
该研究的资金由国防部高级研究计划局、国防威胁减少局化学和生物防御联合科学技术办公室和空军科学研究办公室提供。
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