芯片上的梳子:新型“光尺”将使光钟、望远镜和通讯技术产生重大变革

发布日期:2020年7月3日

就像米尺用数百个刻度线来精确测量距离一样,激光频率梳有数百个均匀分布且边界清晰的频率,可以用来精准测量光波的颜色。均匀间隔的频率类似于梳子齿,因此得名激光频率梳。它使新一代原子钟成为可能,大大增加了通过光纤的信号数量,以及通过辨别星光中微小频率变化,找到隐藏的行星。

美国国家标准与技术研究院(NIST)和加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的科学家们合作研发了一种新型的芯片上的“微梳”,通过提升和拓展这些微型设备的能力来促进时间频率测量技术的进步。

图:实验装置在低温冷却的激光微谐振器频率梳中生成一组稳定的频率。半导体铝砷化镓制成的环形微谐振器足够小,可以安装在微芯片上,并且以非常低的激光功率工作。

图:实验装置在低温冷却的激光微谐振器频率梳中生成一组稳定的频率。半导体铝砷化镓制成的环形微谐振器足够小,可以安装在微芯片上,并且以非常低的激光功率工作。

这种频率微梳的核心是一个光学微谐振器,这个环形装置的宽度约为人一根头发的厚度。来自外部激光的光在其周围形成高强度。由玻璃或氮化硅制成的微梳通常需要用于外部激光的放大器,使得梳子本身变得复杂、难以处理且生产成本极高。

NIST和UCSB的研究人员已证明,如果用半导体铝砷化镓制作微梳将具有两个重要特性:这种频率梳在极低功率下工作,因此不需要放大器;同时可以产生超稳频率,这正是使用微芯片梳作为灵敏工具精准测量频率所需的能力。该项研究属于“芯片上的NIST”项目。

研究人员认为,该微梳技术可以帮助工程师和科学家在实验室外进行精确光频率测量。另外,通过类似用于制造微电子产品的纳米制造技术可以大量生产微梳。

UCSB的科学家们研发了由砷化铝镓构成的微谐振器,用这种微谐振器制成的频率梳仅需由其他材料制成设备功率的百分之一。同时,NIST团队将微谐振器放置在比绝对零度低4度的温度下探测该设备。低温实验表明,激光产生热量与微谐振器中循环光之间的相互作用是导致设备生成所需高稳定频率的唯一障碍。

在低温下,研究小组证明了它可以达到所谓的“孤子状态”,即在这种状态下,单个光脉冲不会改变其形状,频率或在微谐振器内循环速度。有了这样的孤子,频率梳的所有齿都彼此同相,可以用作标尺来测量光钟、频率合成或激光测距中使用的频率。

研究人员将该成果发表在2020年6月出版的《激光与光子学评论》杂志中。

(译:车薇娜 / 图:NIST)

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原文源自美国国家标准与技术研究院(NIST),版权归NIST所有,如需转载,请注明出处。