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本文譯自Edwin Cartlidge所撰寫的Combs of Light on a Chip一文，文章發(fā)表在Optics & Photonics News, 2021, 32(1):26–33上,。翻譯目的為分享知識,，歡迎指出不準確之處。如有侵權,，請告知刪除,。點擊文末原文鏈接可以閱讀英文原文。    對許多科學家來說，能夠測量光輻射的頻率是很重要的,。它使物理學家能夠研究自然界的基本常數(shù)是否隨著時間的推移可能發(fā)生緩慢變化,，并使計量學家提出了一個新的基于光頻的秒的定義。但與作為當今國際單位制時間基準的微波頻率不同,，可見光的光頻振蕩不能簡單地用電子頻率計數(shù)器來跟蹤,。它們需要一個與齒輪等效的裝置來連接電磁頻譜的可見光部分與微波和無線電波部分。 在過去的幾十年里,，研究人員利用諧波鏈將銫原子的微波頻率標準與特定的可見光光頻躍遷連接起來,，從而跨越了這個大約5個數(shù)量級的頻率差距。但正如位于德國布倫瑞克的PTB國家計量研究所的Fritz Riehle回憶的那樣,，他的團隊使用的“頻率鏈”填滿了兩座不同建筑中的三個實驗室,，并且需要數(shù)小時的艱苦操作來精確地使相鄰鏈路之間的振蕩重疊，以確保每一個周期的輻射都不會丟失,。 如今,，一臺鎖模激光器就可以通過產生包含很窄且等間距的光學頻率的寬光譜來實現(xiàn)同樣的功能，這些光學頻率的值由微波頻率計數(shù)器確定,。這種設備稱為頻率梳,，它改變了計量學，并引發(fā)了一場建立更加穩(wěn)定和精確的光學時鐘的競爭,。這些光學時鐘基本上只需要一個操作員和一個光學平臺就可以實現(xiàn)。 但研究人員并沒有停留在此榮譽上。雖然商品頻率梳依靠的是比鞋盒還小的激光,，但一些小組已經(jīng)繼續(xù)開發(fā)由直徑不超過幾毫米的腔體制成的頻率梳發(fā)生器,。這些微腔頻率梳為光學頻率的產生和測量提供了使用非常便宜且緊湊的設備的前景。這些設備可以在芯片上制造,，使得頻率梳的潛在應用遠遠超出計量學和基礎物理學的范圍,，進入通信、光譜學和激光測距等領域,。 科學家們現(xiàn)在已經(jīng)接近能夠在同一個光子芯片上集成微型頻率梳和泵浦激光器,，并且使用半導體行業(yè)的標準CMOS工藝進行大規(guī)模量產。位于美國紐約的哥倫比亞大學光物理學家,、OSA會士Alexander Gaeta說微腔頻率梳仍主要局限于實驗室,，但估計“五年內或更短，你會開始在商業(yè)設備上看到它們,?！?/span>  有齒的脈沖鎖模原理早在20世紀60年代中期就發(fā)展起來了,，也就是在激光本身發(fā)明僅幾年后,。它利用損耗隨光強變化的材料將寬帶激光介質產生的大量激光模式排列起來，并使波產生相長干涉,。結果是在激光腔內產生來回往返的一個非常短的脈沖,，通過一個半透射的輸出鏡在每個往返周期內透出光腔一次，在腔外產生均勻的脈沖序列,。在頻域上,，這一連續(xù)的脈沖序列由一系列精細且等間隔分布的“梳齒”組成。 頻率梳的美妙之處在于能夠通過測量位于射頻的脈沖重復頻率來計算未知光學頻率的值,。然而,，由于激光腔內的色散導致脈沖包絡和載波不同步，頻率梳的工作變得復雜,。這就需要“自參考”技術,，它通常要求脈沖在頻域上具有跨越一個完整的倍頻程的光譜（見“射頻如何測量光頻”）。不幸的是,，即使是寬帶激光材料也遠遠不能滿足這種要求—比如,，廣泛使用的鈦藍寶石激光器工作的中心頻率在350 THz左右，頻譜率寬度只有30 THz（1 THz =Hz）,。 突破發(fā)生在20世紀90年代末,，當時位于美國科羅拉多州博爾德的JILA研究中心的John Hall和位于德國加興的馬普量子光學研究所的Theodor H?nsch（兩人均為OSA榮譽會員）領導的小組研究表明，他們可以利用光子晶體的光學非線性特性將鈦寶石的頻率梳展寬到至少一個倍頻程,。這一想法為Hall和H?nsch贏得了2005年諾貝爾物理學獎的一半,，也被應用于摻鉺光纖光梳，這些器件后來被幾個公司商業(yè)化。[譯者注：本文作者提到的“光子晶體”photonic crystal更準確地說應該為“光子晶體光纖”photonic crystal fiber,，本公眾號頭像就是用光子晶體光纖產生超連續(xù)光譜,。]  射頻如何測量光頻 在時域中，鎖模激光器產生等間隔的超短脈沖序列,。在頻域中,，這會產生數(shù)十萬條非常窄的頻率線或梳齒，它們以（恒定的）脈沖重復率為間隔彼此分開,，并具有共同的微小偏移,。因此，第條線的頻率是,。 通過使用光電探測器和電子頻率計數(shù)器來測量脈沖的重復頻率,，就可以簡單地獲得。相反,，獲得的值需要自參考技術,，這意味著需要比較一個倍頻程跨度的光梳兩端的梳齒：和?？紤]到,，訣竅是將倍頻程中較低頻率的梳齒倍頻，然后將其和較高頻率的梳齒拍頻,。 通過對和進行電子頻率測量,，另一激光器的未知頻率可以通過將該未知光束與梳狀脈沖相干涉而得到。這會產生一個與光梳中的每個梳齒相關聯(lián)的位于射頻域的差頻信號（盡管只會檢測到幾個）,。使用低通濾波器來隔離最低的差頻信號,，未知頻率則等于，通過移動來觀察差頻信號的增大或者減小來確定公式中的符號,。 [N. Picqué 和T.W. H?nsch, Opt. Photon. News, 2019年6月刊] 走向微型化然而,，現(xiàn)在許多研究人員正是在微尺度上投入精力。微腔光梳通過將連續(xù)泵浦激光的輸出限制在微腔中來增強基于克爾效應的非線性,，而克爾效應指的是折射率隨光強的變化,。所謂的回音壁諧振腔通過全內反射將光限制在空氣–介質界面的圓形或球形邊界上可以將這種非線性的閾值降低到一微瓦以下，當圓形或球形邊界的距離對應于整數(shù)個波長時諧振腔發(fā)生共振,。 諧振腔一般由介質構成,，非線性相互作用引起參量四波混頻現(xiàn)象。這會將泵浦光子轉換為泵浦頻率周圍等距分布的邊帶,。給定一個具有足夠高品質因數(shù)的腔,，這些邊帶本身可以激發(fā)參量混頻，從而產生更多的邊帶,。這導致級聯(lián)產生許多等距的邊帶—換句話說,，產生了頻率梳,。 瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的OSA會士Tobias Kippenberg和同事在2007年首次報道了這種光梳。六年后,，仍是這個小組創(chuàng)造了一種特別有效和低噪聲的微諧振腔,，其中所有的腔模都像飛秒激光器中的模式一樣步調一致，產生一個孤立的光脈沖,。通過納米級光刻技術實現(xiàn)非線性和色散的精確平衡，產生的脈沖稱為耗散克爾孤子,。 位于博爾德的美國國家標準與技術研究所（NIST）的OSA會士Scott Diddams說：“多年來,，光梳界一直在努力前行?！薄拔覀兛梢杂眠@些微腔光梳做一些事情,，但是我們操作它們的方式并沒有充分利用它們。然后所有的部分都匯集在一起,，包括良好的理論和對技術細節(jié)的掌握,。”   在芯片處集成隨著孤子微腔光梳的實現(xiàn),，科學家們就一直致力于將這些設備與非常緊湊的激光器集成起來,。繼美國OEwaves公司和俄羅斯莫斯科的量子中心對氟化鎂微諧振腔的演示后，哥倫比亞大學的研究人員包括Gaeta和OSA會士Michal Lipson于2018年展示了如何利用氮化硅的特性以去除體積龐大,、耗電量大的外部泵浦源,。這種絕緣材料與CMOS工藝兼容，其品質因數(shù)顯示可高達數(shù)千萬,。 哥倫比亞大學小組的裝置本質上是由兩個結合在一起的微芯片組成的,。一個III–V半導體放大器作為增益介質和激光腔的一端，而氮化硅電路包含腔的其余部分和一個半徑為120 μm的微諧振腔,。該設備總共只有1（不包括控制電路）,，并連接到一個標準的AAA電池上，只需要98 mW的電能就能產生一個孤子頻率梳,。 兩年后的2020年,，Kippenberg、加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）的OSA會士John Bowers和美國加州理工學院（Caltech）的OSA會士Kerry Vahala為主的合作研究報道,，制造了一種“交鑰匙”（turnkey）裝置,，將一塊含有商用分布式反饋激光器的芯片與另一塊含有多個氮化硅諧振腔的芯片耦合起來。通過仔細選擇激光注入電流,、芯片間距和系統(tǒng)溫度,，研究人員避免了復雜的調諧過程,，只需打開泵浦激光器即可產生孤子。 然而,，即使這種裝置也需要花費時間來安裝,，需要大約兩天的時間來手動準直激光器和諧振腔，并對系統(tǒng)進行測試和包裝,，以確保其參數(shù)保持穩(wěn)定?，F(xiàn)在，EPFL和UCSB團隊正在應用CMOS工藝來制造單芯片,，其中硅和磷化銦襯底鍵合到氮化硅襯底上,。據(jù)Kippenberg的EPFL同事Junqiu Liu說，這個想法是用一塊4英寸,、甚至8英寸的晶圓制造數(shù)百個芯片,，從而使生產更快、更廉價,。 Liu預計,，他們將在今年初展示這種制造技術，并預計“激烈”的競爭將使這種集成封裝在未來2到5年內實現(xiàn)商業(yè)化,；他指出,，包括他所在小組的Ligentec在內的幾家公司已經(jīng)在銷售獨立的氮化硅芯片。他認為,，一旦設備在用戶手中,，就應該清楚哪些應用最有潛力以及市場規(guī)模可能有多大,。 廣泛的益處Diddam指出,，傳統(tǒng)的鎖模頻率梳具有技術非常成熟的優(yōu)點。正如他所說,，“它們只是工作而已,。”但他還指出,，將所有組件集成到一個芯片上的能力,，以及由此帶來的設備尺寸、重量和功耗的降低,，使得光梳的應用更加廣泛,。 他補充說，微腔光梳的一個特別賣點是它們的重復頻率高,。這種重復頻率通常在幾十或幾百GHz的范圍,，是由微諧振腔內（非常短）的光程長度決定的。他指出,，這又相當于梳齒之間有一個非常大的間隔,，這可以幫助天文學家更好地校準光譜儀（見“梳理宇宙”）,。 這種寬的模式間隔也許對通訊也是一個福音，因為目前在光纜內用于數(shù)據(jù)復用的許多激光器可以被一個頻率梳所取代（鑒于信道的間隔通常為幾十或幾百GHz）,。事實上,，在2017年，Kippenberg的研究小組與德國卡爾斯魯厄理工學院的Christian Koos和其他研究人員一起,，展示了如何使用孤子微腔光梳可以在跨越C和L通訊波段的數(shù)十個不同頻率上以超過每秒50太比特的速度傳輸數(shù)據(jù),。他們還使用光梳作為本地振蕩器來檢測復用數(shù)據(jù)。 然而,，還有一個障礙是效率,。在2017年的演示中，只有不到1%的泵功率泵浦最終進入光梳,。Gaeta認為這個障礙是可以克服的，他指出,，瑞典查爾默斯大學的Victor Torres公司領導的一個小組已經(jīng)證明,，使用氮化硅微諧振腔的效率超過20%，該諧振腔顯示出正常的色散,，而不是孤子的產生,。 事實上，Gaeta預計,，無論是數(shù)據(jù)中心或高性能計算系統(tǒng)內的通信可能是微腔光梳的首批商業(yè)應用之一,。他說另一個應用可能是光譜學。他暗示,，便攜式光梳光譜儀可能會在未來5到10年內被整合到智能手機中,，這可能會導致多達1億用戶通過呼吸分析來監(jiān)測自己的健康狀況。 據(jù)日本東京大學的Takuro Ideguchi說,，光譜學實際上是頻率梳研究領域最活躍的應用之一,，特別是所謂的雙梳光譜學。這包括將兩個重復頻率稍有不同的光梳組合起來,，在它們與樣品相互作用后測量它們在射頻域的拍頻——射頻譜中的凹陷揭示了樣品的化學組成,。他說，這項技術速度快,，分辨率高,，而且準確，例如已經(jīng)被用于檢測溫室氣體和其他污染物,。Vahala和加州理工學院的同事在2016年展示了如何在芯片上實現(xiàn)雙光梳光譜,，他們證明了一對基于孤子的微腔光梳可以重建合成光譜輪廓。 位于夏威夷的W.M.凱克天文臺,，Vahala和同事用它展示了如何用微腔光梳校準近紅外光譜儀,。[Ethan Tweedie攝影/W.M.凱克天文臺] 梳理宇宙 在天文學的許多領域,，波長精確是至關重要的。例如,，搜尋太陽系外行星可以通過探測由恒星系外行星引起的抖動導致的星光中微小的多普勒頻移來完成,。根據(jù)英國赫瑞-瓦特大學的物理學家Richard McCracken所說，頻率梳可以校準望遠鏡光譜儀使速度不確定度為每秒幾毫米,，這樣就能顯著擴大探索系外行星的距離,。 然而，傳統(tǒng)鎖模光梳的頻域間隔相對較窄,，約1 GHz的模間距不能被光譜儀分辨,，導致光梳線會聚，無法識別給定的波長,。這可以通過過濾掉大部分光梳線來避免,，但是這種修正會導致不必要的頻率偏移。 考慮到其自然更寬的梳齒間距,，微腔光梳可能更適合天文光譜儀標定,。 McCracken說，在加那利群島和夏威夷的望遠鏡上表現(xiàn)出良好性能后,，微腔光梳在未來甚至對小型天文臺都有吸引力,，因為它們的尺寸小和價格低。但它們也有缺點,，包括局限于近紅外波段,，需要絕對頻率基準進行擴展觀測。更重要的是,，系外行星的搜索目前不僅受到校準器本身的限制,，而且還受到校準線和星光疊加方面困難的限制。 德國馬普量子光學研究所的物理學家,、OSA會士Thomas Udem認為,，這最后一個障礙最終將通過自適應光學的改進而被克服?！皦粝朐龠h一點,，”他說，這樣就有可能探測暗能量,，方法是使用頻率梳來比較大空間間距上遠距離物體的速度,，而不依賴空間平坦度等理論假設。他說：“認為這是可以做到的并不完全瘋狂,?！?/span> 追求絕對微腔光梳的每一個潛在應用都帶來了自己的挑戰(zhàn)—復雜性是光譜學的一個問題，但Diddams指出,，這些設備存在另一個更基本的障礙—自參考。正如他所指出的,，跨越一個完整倍頻程的微諧振腔已經(jīng)存在—他和馬里蘭州蓋瑟斯堡NIST研究所分部的OSA會士Kartik Srinivasan領導的一些同事用46 μm寬的氮化硅環(huán)已經(jīng)制造了一個微諧振腔,。然而，梳齒之間的間隔為1 THz,，重復頻率太高,，無法用電子方法計數(shù),。 在國防部高級研究項目局的支持下,，NIST小組與UCSB,、Caltech和EPFL的同事合作,，于2017年展示了如何將1 THz倍頻程波導諧振腔與直徑為3毫米的二氧化硅楔角形諧振腔相結合,。有了22 GHz的重復頻率,，他們用后一種諧振腔來橋接前一種諧振腔梳齒間的間隙,。然后，他們將光梳鎖定在射頻時鐘的輸出,，通過設定可調諧III–V/硅激光器的頻率，利用光梳創(chuàng)建了一個非常穩(wěn)定,、精確的光學頻率合成器,。 NIST小組后來用同樣的技術制造了一個緊湊的光鐘,，在此情況下,，光梳充當一個與被捕獲的銣原子的光學躍遷緊密有關的半導體激光振蕩器的計數(shù)器,。盡管取得了這些進展,，Diddams說，雙梳系統(tǒng)還沒有真正集成的自參考微腔光梳,，它仍然需要封裝在芯片外的元件，包括外部泵浦激光器,。 問題就難在這里,。正如Diddams指出的那樣,，真正集成的自參考頻率梳需要一個泵浦激光器和微諧振腔，加上用于倍頻程產生和倍頻的額外非線性元件,，都在同一個芯片上,。但他說,，對亞微米波導以及所涉及的不同材料折射率的巨大差異的要求，使得組裝和低損耗運轉成為真正的挑戰(zhàn),。他說：“真正難以做到的是,，在稱得上微型的一套裝置中實現(xiàn)微腔光梳的自參考。” 事實上，PTB的Riehle認為,，考慮到所需的昂貴研發(fā)費用,，能夠產生絕對頻率的微光梳可能永遠見不到曙光,。他指出,，手表已經(jīng)可以接收到銫鐘發(fā)出的無線電信號,，這些信號至少精確到分之一,。但他認為,，與實驗室的時鐘不同,，將這種不確定性再降低四到五個數(shù)量級，未免過猶不及,?！叭绻恍枰脑?，將頻率梳小型化是沒有效率的,，”他說。 然而,，Diddam則認為,，沒有自參考的微光梳在許多領域仍然具有競爭力。他說,，雖然測量大氣中二氧化碳的絕對濃度可能是不可行的,，但追蹤生物系統(tǒng)的時間動力學比如折疊中的蛋白質則可能是可行的。他補充說,，另一種可能性是激光測距,，它不涉及絕對或非常精確的距離。 他說：“沒有自我參考你能做些什么,，這是一個不斷發(fā)展的問題,。”“如果你回到20年前,，如果不是自參考的話,，它就不是頻率梳,。但現(xiàn)在這種想法正在發(fā)生一些變化?！?/span> 不過，他相信,，全面集成的技術挑戰(zhàn)將被克服,，政府將提供必要的資金，特別是考慮到軍方對此類技術的興趣,?！斑@可能還需要10年的時間,，”他說,，“但我很有信心這會發(fā)生,。”
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