奥克兰大学助力超精密激光梳技术迈向芯片化

奥克兰大学(University of Auckland)研究人员与美国科学家合作的一项新研究显示,未来有望将用于超精密测量的激光工具——光频梳(optical frequency comb)缩小至芯片大小,应用于导航系统、通信网络、精密传感器和便携式原子钟。相关成果已发表于学术期刊《Nature》。

光频梳是测量光的频率(颜色)的标准工具,有时被称为“光尺”或“彩虹尺”。由于体积和成本的限制,这类工具此前一直局限于实验室使用。

这项突破是自2021年以来持续研究的成果。奥克兰大学物理系主任、Dodd-Walls光子与量子技术中心(Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies)研究员 Miro Erkintalo 教授当时开始探索生成芯片级频率梳的新方法。他与学生们预测,将两束激光射入一个芯片级环形结构中,可以产生一种新型频率梳。

2024年,这一预测成为现实:奥克兰研究团队与来自美国马里兰大学(University of Maryland)及美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology)的 Grégory Moille 和 Kartik Srinivasan 合作,在实验室中成功验证了这一构想。不过当时的演示仅是物理层面的概念验证,尚未实现突破性应用。

两年后的现在,研究团队又迈出了关键一步。他们发现,这种新型频率梳可以由相差一个“倍频程”(octave,借用自音乐术语,指频率加倍)的两束激光生成。由此产生的微型化频率梳立即打开了一系列应用的大门。

为展示这一平台的能力,研究人员利用该芯片系统完成了频率梳相关的三项核心任务:生成精确的光学频率、产生低噪声毫米波信号,以及实现集成光学时钟读数。

“这项成果是多年工作的结晶,凝聚了一次出色的国际合作,汇集了新西兰研究人员与美国同行同样世界领先的知识和创新能力,”Erkintalo 说,“它也展示了最初出于好奇心驱动的研究,如何最终催生出具有商业意义的新技术应用。”

最初的实验室级光频梳由 John Hall 和 Theodor Hänsch 在1990年代末率先研发,两人也因此获得2005年诺贝尔物理学奖。

光频梳就像一把带有精确等距刻度的尺子,能够生成数百万个完美等间隔、精确的光频率(颜色),用于以极高精度测量时间、距离和化学信号。光频梳的应用已催生出世界上最精确的时钟——光学原子钟,也被用于大量基础物理实验。

微型化版本有望将实验室级的精度带入日常技术应用。便携式光学原子钟可用于探测地下矿藏分布的变化,并支持不依赖GPS卫星信号的导航系统。

“尽管我们多年来一直在研究芯片集成光频梳,但它们的控制和稳定一直是个难题,而这对许多应用至关重要,”马里兰大学的 Moille 说,“有了这种新方法,我们终于看到了将其用于可部署原子授时的可行路径,而这正是光频梳最具挑战性也最重要的应用之一。”

Erkintalo 及其合作者构想的这一突破,颠覆了传统光频梳的设计思路。在传统实验室系统和现有的芯片化架构中,单束激光的光会逐级扩展,覆盖宽频谱范围。相比之下,新设计从相距甚远、位于频谱两端的两束激光出发,系统会自动填补两个边界之间的所有光频率,从而克服了制约现有架构性能的难题。

未来的应用可能包括电信同步,以及能够探测环境中极微小变化的传感器。研究人员在《Nature》论文中写道,降低光频梳的体积、重量、功耗和成本,有望推动其量产,使这项技术从实验室走向消费市场。

Erkintalo、Moille 和 Srinivasan 已就这项研究的部分内容提交了临时专利申请。