光頻梳可以實現物理，生物和化學中的超快過程，以及改善通信和導航，醫學測試和安全性。 2005年諾貝爾物理學獎授予了基於激光的精密光譜學的開發人員，包括光學頻率梳技術，並且微諧振梳在過去十年中已成為研究的熱點。
主要的挑戰是如何使這種頻率梳源更小，更穩健和便攜。過去的10年裡，在使用單片基於芯片的微諧振器來產生這種頻率梳方面取得了重大進展。雖然產生頻率梳的微諧振器比人類頭髮還細小 - 但它們總是依賴於外部激光器，這些激光器通常更大，更昂貴且更耗電。
哥倫比亞大學的研究人員在Nature（“Battery-operated integrated frequency comb generator”）中宣佈，他們已經制造了克爾頻率梳髮生器，這是第一次將激光器與微諧振器集成在一起，大大縮小了系統的尺寸和功率要求。他們設計了激光器，使激光腔的一半基於具有高光學增益的半導體波導部分，而另一半基於由氮化硅製成的波導，這是一種非常低損耗的材料。他們的研究結果表明，他們不再需要使用光纖連接實驗室中的獨立設備 - 他們現在可以將設備全部集成在緊湊且節能的光子芯片上。
圖示為芯片上的微型諧振器陣列將激光轉換成頻率梳。（圖片來源：Brian Stern /哥倫比亞大學）
該團隊知道，氮化硅波導中的光學損耗越低，產生頻率梳所需的激光功率就越低。
“確定如何消除氮化硅中大部分的損耗需要我們團隊的許多學生花幾年的時間，” Michal Lipson說，他是電氣工程Eugene Higgins教授，應用物理學教授和該研究團隊的共同領導者。“去年，我們證明了我們可以重複地實現非常透明的低損耗波導。這項工作對於降低在片上生成頻率梳所需的功率至關重要，我們在這篇新論文中表明瞭這一點。”
微諧振器通常是由硅，玻璃或氮化硅製成的小的圓盤或環。將波導彎曲成環形會形成一個光學腔，在光學腔裡光循環多次，導致大量的功率累積。如果該環設計合理，單頻泵激光輸入可以在環中產生一個完整的頻率梳。
哥倫比亞大學的研究團隊進行了另一項重要創新：在像他們一樣具有極低損耗的微諧振器中，光循環並積累到很高的強度，以至於他們可以看到來自環的強烈反射。
“我們實際上將微諧振器直接放置在激光腔的邊緣，這樣這種反射使得環就像激光鏡中的一個 - 反射有助於保持激光完全一致，”曾是Lipson組的博士生，該研究的主要作者Brian Stern說。“因此，我們現在可以自由設計激光器，而不是使用標準的外部激光器在單獨的微諧振器中泵浦頻率梳，這樣我們就可以讓激光器和諧振器以新的方式相互作用。”
所有的光學器件都安裝在毫米級的範圍內，研究人員說他們的新型器件非常高效，即使是普通的AAA電池也可以為它供電。
“其緊湊的尺寸和低功耗要求為開發便攜式頻率梳裝置打開了大門，”應用物理和材料科學的Rickey教授兼團隊聯合負責人Alexander Gaeta說。“它們可用於超精密光學時鐘，用於自動駕駛汽車中的激光雷達/激光定位，或用於光譜學中的生物探測或環境標記。我們正在讓桌面實驗室實驗中的頻率梳更接近便攜式甚至可穿戴設備。”
研究人員計劃將這些設備應用於各種配置中，以實現高精度測量和傳感。此外，他們還將這些設計擴展到其他波長範圍內，例如中紅外，其中化學和生物製劑的傳感非常有效。該團隊與哥倫比亞大學知識產權管理部合作，擁有一個臨時專利申請，並正在探索該設備的商業化。
原文鏈接：（https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=51227.php）
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