芯片上的光梳

能够测量光辐射的频率对许多科学家来说很重要。它使物理学家们能够研究自然界的基本常数是否会随着时间的推移而缓慢变化，这也使得计量学家们提出了一个新的基于光的秒的定义。但是，与作为当今国际单位制时间单位基础的低频微波不同，可见的振荡不能简单地用电子计数器来跟踪。它们实际上需要一个发条装置，将电磁波谱的可见部分与微波和无线电波的可见部分连接起来。
      在过去的几十年里，研究人员利用谐波将一系列逐渐增加的高频振荡器连接在一起，跨越了这个大约5个数量级的间隙——一端是铯微波标准，另一端是特定的可见跃迁。但来自德国国家计量研究院的研究Fritz Riehle表示，他的团队所使用的“频率链”占用了三个实验室在两个不同的建筑中，并且需要数小时的小心操作精确重叠连续链接间的振荡，以确保没有辐射周期缺失。
       如今，单锁模激光器可以通过产生非常窄且等间距的光频率的广谱来达到同样的效果，其值由射频计数器确定。这种被称为频率梳的设备已经改变了计量学，并引发了一场建造更加稳定和精确的光学时钟的竞赛，这些光学时钟基本上只需要一个操作人员和一个光学工作台。
       但研究人员并未就此止步。虽然商业频率梳依靠的是比鞋盒还小的激光，但许多研究小组已经开发出了由直径不超过几毫米的腔体制成的梳状发电机。这些微梳提供了一种前景，使用非常便宜和紧凑的设备，可以在芯片上制造，产生和测量光频率，有可能将频率梳的应用扩展到远超出计量和基础物理学的领域，如电信、光谱学和激光测距。
       科学家们现在已经接近于在同一光子芯片上集成微梳和泵浦激光器，并使用半导体行业的标准CMOS工艺大量生产此类芯片。OSA研究员、美国纽约哥伦比亚大学的光学物理学家亚历山大·盖塔(Alexander Gaeta)说，目前微梳在很大程度上仍然局限于研究实验室，但他认为在五年内，也许更短的时间内，可以开始在商业设备上看到它们。
脉冲与"齿"
       锁模原理最早可以追溯到20世纪60年代中期，也就是激光发明后的几年。它涉及到将宽带激光介质中的众多模式排列起来，使用一种损耗随强度变化的材料，从而使波形成积极干涉。其结果是一个极短的脉冲在激光腔内来回反弹，并通过一个部分透射镜，在外部产生均匀的脉冲序列。在频域上，这种连续的脉冲序列由一系列精细且有规律间隔的“齿”组成。 频率梳的美妙之处在于，它可以通过测量脉冲的重复频率(即无线电频率)来计算未知光学频率的值。然而，由于激光腔内的色散，使脉冲包络和载流波不同步，使它们的工作变得复杂。这需要“自参照”，这通常要求脉冲跨越一个完整的倍频。不幸的是，即使是宽带材料也远不及这种广泛使用的钛蓝宝石激光器。
       突破是在二十世纪90年代末，当德国和美国的研究小组，显示他们利用光子晶体的光学非线性将钛蓝宝石频率梳扩大至少一个倍频。他们因此获得了2005年的诺贝尔物理学奖，这项研究随后被用于掺铒光纤梳，这些设备已经被几家公司商业化。
微型化 
       然而，现在许多研究人员正致力于微观尺度上的研究。微梳将连续波泵浦激光器的输出限制在微小谐振腔内，以增强基于克尔效应(折射率随光强变化)的非线性。所谓的回音壁谐振器可以通过使用全内部反射将这种非线性的阈值降低到一微瓦以下，从而限制光在空气介质界面的圆形或球形周长周围，当这个距离等于波长的整数倍时就会产生共振。 谐振腔一般由具有能通过非线性相互作用引起参数四波混频现象的介质构成。这将泵浦光子转换成沿泵浦频率等间距的旁带。给定一个腔具有足够高的质量因子，这些边带本身就能激发参数混合，从而产生更多的边带。这导致了许多等距边带的级联产生，也就产生了频率梳。
       来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员在2007年首次报道了这种频率梳的制造。六年后，该小组又制造了一种特别高效、低噪音的微谐振器，在这种谐振器中，所有的腔模都像飞秒激光器那样同步前进，以产生一个孤立的单脉冲光。通过纳米级光刻技术实现非线性和色散的精确平衡，得到的脉冲被称为耗散克尔孤子。 美国国家标准与技术协会(NIST)的研究人员表示，多年来微梳的应用十分广泛，但目前使用它们的方式并没有发挥出最好的效果。
与芯片相连 
       随着孤子微梳成为现实，科学家们一直致力于将这些设备与非常紧凑的激光器集成在一起。随着氟化镁微谐振腔被证实，美国公司OEwaves和俄罗斯量子中心以及哥伦比亚大学的研究人员在2018年展示了如何利用氮化硅的性质去掉笨重、高能耗的外部泵源。这种绝缘材料与CMOS制造兼容。
       这台设备实际上是由两个相连的微芯片组成的。激光腔的一端由III-V型半导体放大器作为增益介质，腔的其余部分由氮化硅电路和半径为120μm的微谐振器组成。该设备仅测量1平方厘米(不包括控制电子设备)，并连接到一个标准的AAA电池，只需要98兆瓦的电力就能产生孤子频率梳。
       两年后,在2020年加利福尼亚大学圣芭芭拉分校(UCSB)和加州理工学院(Caltech)的研究人员公布了一个“总包”装置，及一个芯片包含一个商业分布反馈激光器与另一个由几个合成谐振器。通过仔细选择激光注入电流、芯片分离和系统温度，研究人员避免了复杂的调谐程序，只需打开泵浦激光器就能产生孤子。 然而，即使是这个设备也需要大约两天的时间来手动对准激光器和谐振器，以及测试和封装系统以确保其参数保持稳定。现在，EPFL和UCSB团队正在应用CMOS工艺来制造单个芯片，其中硅和铟磷化衬底与氮化硅衬底结合。根据EPFL的研究人员的说法，这个想法是用一个4英寸甚至可能是8英寸的晶片来制造数百个芯片，这样生产速度更快，成本更低。他们预计将在今年早些时候展示制造技术，并认为在未来的2到5年内能在市场上看到集成封装芯片的激烈竞争。目前已经有几家公司在销售独立的氮化硅芯片。 众多优势 
       研究人员指出，传统锁模频率梳的优势在于它是一种非常成熟的技术。但将所有组件集成到一个芯片上，可以使设备尺寸、重量和功率都相应减少，这将使光梳得到更广泛的应用。 微梳的一个特别卖点是其高重复频率。这个速率(通常是几十或几百千赫兹)是由微谐振器内(非常短的)光程长度决定的。研究人员指出，这相当于梳齿之间的非常大的间距，这可以帮助天文学家更好地校准摄谱仪。
       这种宽的模式间隔也可能在通信中被证明是一种优势，目前用于在光纤电缆中复用数据的许多激光器被单个频率梳所取代(考虑到信道的间隔通常为数十或数百千兆赫)。事实上，在2017年研究人员们展示了如何使用孤子微梳在几十种不同的频率上传输数据，以每秒超过50太比特的速度实现跨越C和L电信频段。他们也使用梳状器作为本振器来检测多路数据。然而，还有一个障碍是效率。在2017年的演示中，不到1%的泵动力最终进入了光梳。
       研究人员认为这个障碍是可以克服的，他指出瑞典查尔姆斯大学的维克托·托雷斯公司领导的一个小组已经证明了使用氮化硅微谐振器的效率超过20%，该谐振器表现出正常的色散而不是孤子产生。研究人员认为通信，无论是在数据中心内还是在高性能计算系统内，可能是微梳的第一个商业应用。
       而另一个应用，可能是光谱学。他建议在未来五到十年内，便携式梳状光谱仪可以被整合到智能手机中，这可能会导致多达1亿用户通过呼吸分析来监测自己的健康。来自日本东京大学的研究人员说，光谱学实际上是频率梳研究最活跃的应用之一，特别是所谓的双梳光谱学。这包括将两个重复频率略有不同的梳子组合在一起，并在它们与样品相互作用后测量它们的无线电频率跳动，无线电频谱的衰减揭示了样品的化学组成。这项技术速度快、分辨率高，而且准确。例如，已经被用于探测温室气体和其他污染物。瓦哈拉和加州理工学院的研究人员在2016年展示了如何在芯片上实现双梳光谱学，他们展示了一对基于孤子的微梳可以重建合成的光谱剖面。
追求绝对 
       微梳的每一种潜在应用都有其自身的挑战，光谱的复杂性是一个问题，但研究人员指出这些设备还有另一个更基本的障碍：自参照。正如研究人员所指出的那样，跨越一个完整倍频的微谐振器已经被位于马里兰州盖瑟斯堡的研究所用46微米宽的氮化硅环制造成功。然而，该微梳的齿与齿之间的间隔是1太赫兹，重复率太高，无法进行电子计算。
       在国防高级研究项目局的支持下，NIST团队与他们在UCSB、加州理工学院和EPFL的同事合作，在2017年展示了如何将1太赫兹倍频跨越波导谐振器与直径为3毫米的二氧化硅楔形谐振器相结合。重复频率为22 GHz，他们使用后一种谐振器来连接前一种谐振器齿间的间隙。然后，将梳子锁定在射频时钟的输出端，通过设置可调谐III-V /硅激光器的频率，他们创造了一个非常稳定、精确的光学频率合成器。
      后来，NIST团队用同样的技术制造了一个紧凑的光学钟，在这个例子中微梳作为一个半导体激光振荡器的计数器，与捕获的铷原子的光跃迁相连接。尽管取得了这些进展，但研究人员表示，双梳系统还达不到真正集成的自参照微梳，它仍然需要封装在芯片外的元件，包括一个外部泵浦激光器。
       这就是问题所在。正如NIST团队的Diddams指出的，真正集成的自参考频率梳需要泵浦激光器和微谐振器，以及在同一芯片上用于倍频生成和倍频的额外的非线性组件。但亚微米波导的需求，以及不同材料折射率的巨大变化，使组装和低损耗操作成为真正的挑战。真正困难的事情是在一个与微型相称的封装中自参考微梳。
       事实上，也有研究人员认为考虑到昂贵的研发费用，能够产生绝对频率的微梳可能永远不会面世。他指出，手表已经可以接收到来自铯原子钟的无线电信号，这种原子钟的精度至少达到10^11分之一。但与实验室时钟不同的是，将这种不确定性再降低4到5个数量级是矫枉过正的。他说:“如果不被需要的话，那么小型化频率梳是没用的。”
       然而，Diddams认为，没有自参照的微梳在许多领域仍然具有竞争力。他说，虽然测量大气中二氧化碳的绝对浓度可能不可行，但追踪生物系统的时间动态，比如折叠蛋白质，可能可行。他补充说，另一种可能性是激光测距，它不涉及绝对或非常精确的距离。“如果没有自参照，你能做什么?这个问题正在不断演变。” 他说，“如果你回到20年前，如果没有自我参照，它就不会是一个频率梳。但现在这种想法发生了一些变化。” 尽管如此，他相信全面整合的技术挑战将会被克服，而且各国政府将提供必要的资金，特别是考虑到军方对这些技术的兴趣。“这可能还需要10年时间，”他说，“但我非常有信心这将会发生。”

图：NIST的研究人员发明了一种基于芯片的基于两个频率梳的光频率合成器(上图)。他们用梳子来设置可调谐的III-V/硅激光器的频率，用二氧化硅谐振器(左下)的输出来连接氮化硅谐振器(右下)齿间的间隙。