导读
据美国国家标准与技术研究院官网近日报道，该研究院和加州大学圣芭芭拉分校的研究人员创造出了最新版本的基于芯片的微型频率梳。这个最新版本通过改善和拓展微型频率梳的功能，进一步提升对于时间和频率的测量。
背景
一把米尺具有数百个刻度标记，可用来精确地测量距离。同样，一种称为“激光频率梳”的装置，具有数百个均等间隔、清晰定义的频率，可用来精确测量光波的颜色。
维也纳技术大学开发的频率梳创造出一系列均匀间隔的频率光谱（图片来源：维也纳技术大学）
这些频率梳（之所以这么命名是因为等间距的频率集合就像梳子的梳齿一样）的微型版本小到足以放在芯片上，有望带来新一代的原子钟，大幅增加通过光纤传输的信号数量以及识别星光中微小频率变化，这些变化暗示着看不见的行星存在。
NIST的新一代小型化原子钟（图片来源：Hummon/NIST）
创新
近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）和加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人员创造出最新版本的基于芯片的“微梳”。最新版本通过改善和拓展这些微型频率梳的功能，进一步提升对于时间和频率的测量。
（图片来源：NIST）
研究人员在六月份出版的《激光与光子学评论（Laser and Photonics Reviews）》期刊中描述了他们的工作。
技术
这些频率微梳的核心处有一个光学微谐振器，这是一个与人类发丝宽度差不多的环形装置，来自外部激光器的光线在其中绕行数千次，直至形成高强度。微梳通常由玻璃或氮化硅制成，一般需要外部激光的放大器。这样会使频率梳变得复杂、笨重且生产成本高。
NIST 的科学家及其 UCSB 合作者已经证明，由半导体砷化铝镓制成的微梳有两个必不可少的特性，这两个特性使微梳变得特别有前途。这款新型梳子能以非常低的功率运行，以至于无需放大器，并且可以被操控以产生一组非常稳定的频率。这正是使用微芯片频率梳作为灵敏工具来以极高的精度测量频率所需的。(这项研究是NIST芯片计划的一部分。)
NIST 科学家格列高利·莫伊尔（Gregory Moille）表示，这项新开发的微梳技术可以帮助工程师和科学家在实验室外进行精确的光学频率测量。此外，微梳还可以通过与已经用于制造微电子产品的纳米制造技术相似的技术来批量生产。
UCSB 的研究人员领导了早期的工作，检查了由砷化铝镓组成的微谐振器。由这些微谐振器制成的频率梳所需的功率仅为由其他材料制成的设备的百分之一。但是，科学家们无法证明其关键特性，即由这种半导体制成的微谐振器可以产生一组“始终如一”或者说“高度稳定”的离散频率。
NIST 团队通过将微谐振器放置在定制的低温装置中来解决这个问题，该装置使研究人员能在比绝对零度高4度的低温下探测该设备。低温实验表明，激光产生的热量与微谐振器中循环的光线之间的相互作用，是阻止设备产生成功运行所需的高度稳定频率的唯一障碍。
在低温下，研究团队证明了它可以达到所谓的孤子状态。在这种状态下，单个光脉冲在微谐振器内循环时从来不会改变其形状、频率或速度。
对于这种孤子来说，频率梳的所有梳齿彼此同相，因此它们可作为尺子来测量光学时钟、频率合成或者基于激光的距离测量中所用到的频率。
尽管最近开发的一些低温系统足够小，以至于可以在实验室外与新的微梳一起使用，然而最终目标是在室温下操作该设备。新发现表明，科学家们将不得不通过冷激处理或完全避免过热来实现室温运行。
关键词
频率梳、谐振器、光学
参考资料
【1】Gregory Moille, Lin Chang, Weiqiang Xie, Ashutosh Rao, Xiyuan Lu, Marcelo Davanço, John E. Bowers, Kartik Srinivasan. Dissipative Kerr Solitons in a III‐V Microresonator. Laser & Photonics Reviews, 2020; 2000022 DOI: 10.1002/lpor.202000022
【2】https://www.nist.gov/news-events/news/2020/06/comb-chip-new-design-optical-ruler-could-revolutionize-clocks-tele