斯坦福大学的研究人员开发了一种新型的微型频率梳，它既节能又精确，有可能将其集成到医疗诊断和环境监测等日常电子产品中。这种“微型梳子”利用薄膜铌酸锂技术克服了传统的限制，为紧凑、低功耗的设备提供了可扩展的解决方案。

　　斯坦福大学的研究人员推出了一种新型的频率梳，这是一种高精度的测量设备，它具有创新的小、超节能和异常精确的特点。随着不断的发展，这一突破性的“微型梳子”——发表在《自然》杂志上的一项研究中有详细介绍——可能成为大众市场在日常电子产品中采用这种设备的基础。

　　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，或者更准确地说，是尺子上的刻度。在大约四分之一个世纪的发展中，这些“光的尺子”已经彻底改变了许多高精度的测量方法，从计时到通过光谱学进行分子检测。然而，由于频率梳需要笨重、昂贵和耗电的设备，它们的部署在很大程度上仅限于实验室环境。

　　研究人员通过将两种不同的方法集成到一个简单、易于生产的微芯片式平台上，发现了解决这些问题的方法。在众多应用中，研究人员为他们的多功能技术设想了强大的手持医疗诊断设备和广泛的温室气体监测传感器。

　　“我们的频率梳的结构将新兴微梳技术的最佳元素整合到一个设备中，”阿米尔·萨法维-纳伊尼实验室的博士后学者、该研究的主要作者休伯特·斯托科夫斯基(Hubert Stokowski)说。“我们可以将我们的新频率微梳扩展为紧凑、低功耗和廉价的设备，几乎可以部署在任何地方。”

　　斯坦福大学人文与科学学院应用物理系副教授、该研究的资深作者萨法维-纳伊尼说:“我们对这种新的微梳技术感到非常兴奋，我们已经证明了这种新型精密传感器既小又高效，有一天可以用在人们的手机上。”

　　争吵光

　　这种新器件被称为集成调频光参量振荡器(FM-OPO)。

　　这个工具复杂的名字表明，它结合了两种策略来创建不同的频率范围，或光的颜色，构成频率梳。一种被称为光学参量振荡的策略涉及到在晶体介质中反射激光光束，其中产生的光将自身组织成相干稳定波的脉冲。第二种策略的核心是将激光送入腔内，然后通过向设备施加射频信号来调制光的相位，最终产生类似于光脉冲的频率重复。

　　这两种微梳的策略并没有被广泛使用，因为它们都有缺点。这些问题包括能源效率低下，调整光学参数的能力有限，以及梳状线随着离梳状中心距离的增加而减弱的梳状“光带宽”不理想。

　　研究人员通过他们基于薄膜铌酸锂材料的非常有前途的光学电路平台的工作，重新解决了这一挑战。与工业标准材料硅相比，这种材料具有优越的性能。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)和大范围的光波长可以通过它。

　　研究人员利用集成的铌酸锂光子学技术，在新频率梳的中心塑造了元件。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，硅光子学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。

　　Safavi-Naeini说:“铌酸锂具有硅所没有的某些特性，如果没有它，我们就不可能制造出我们的微梳设备。”

　　令人惊讶的出色表现

　　接下来，研究人员将光学参数放大和相位调制策略的元素结合在一起。该团队期望铌酸锂芯片上的新频率梳系统具有某些性能特征，但他们所看到的比他们预期的要好得多。

　　总的来说，梳子产生的是连续输出，而不是光脉冲，这使得研究人员能够将所需的输入功率降低大约一个数量级。该装置还产生了一个方便的“平坦”梳，这意味着距离光谱中心波长更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。

　　“我们对这个梳子感到非常惊讶，”萨法维-奈伊尼说。“虽然我们有一些直觉，我们会得到类似梳子的行为，但我们并没有真正试图制造这种梳子，我们花了几个月的时间来开发模拟和理论，解释它的主要特性。”

　　为了进一步了解他们的超能设备，研究人员求助于马丁·费杰(Martin Fejer)，他是j.g.杰克逊和c.j.伍德物理学教授，也是斯坦福大学应用物理学教授。与斯坦福大学的其他同行一起，Fejer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也是这项研究的合著者，他将显微镜背后的物理原理与20世纪70年代科学文献中讨论的观点联系起来，特别是由斯坦福大学应用物理学和电子工程名誉教授斯蒂芬·哈里斯(Stephen Harris)首创的概念。

　　这种经过进一步打磨的新型微型梳子应该可以在传统的微芯片代工厂生产，并具有许多实际应用，如传感、光谱学、医疗诊断、光纤通信和可穿戴健康监测设备。

　　Stokowski说:“我们的微梳芯片可以安装在任何东西上，整个设备的大小取决于电池的大小。”“我们所展示的技术可以应用于手机大小甚至更小的低功耗个人设备，并服务于各种有用的目的。”

　　参考文献:“集成调频光学参数振荡器”，作者:Hubert S. Stokowski, Devin J. Dean, Alexander Y. Hwang, Taewon Park, Oguz Tolga Celik, Timothy P. McKenna, Marc Jankowski, Carsten Langrock, Vahid Ansari, Martin M. Fejer和Amir H. safavii - naeini, 2024年3月6日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07071 - 2

　　NTT Research提供了资金和技术支持。资金由美国国防部、国防高级研究计划局提供;美国能源部;美国国防部、美国空军科学研究办公室;和国家科学基金会。