▲芯片上的微环谐振器阵列可以将激光转换为频率梳。
光学频率梳不仅能够使物理、生物和化学领域的超快处理成为可能，还能改善通信、导航和医学测试技术的安全性。2005年诺贝尔物理学正是对激光精密光谱学(包括光学频率梳技术)中的重大贡献的一种承认。过去的十年中，微谐振子梳已经成为尖端科学的研究热点之一。光学频率梳面临的主要挑战在于如何使梳状源更小，结构更坚固。虽然用于产生频率梳的微型谐振器很小，但它们对外部激光器的依赖程度很高——而外部激光器通常很巨大，且价格昂贵，能耗高。
《自然》（Nature）杂志10月9日刊载的论文称，美国哥伦比亚大学（CU）的研究人员制造了一种克尔频率梳发电机，首次通过整合激光技术和微型谐振器，大大缩小了装置的尺寸并降低了功率需求。他们设计的激光装置中，激光腔的一半是基于半导体的高光学增益波导管节，另一半则是基于低光损耗的氮化硅波导材料。克尔频率梳发电机的问世，使研究人员不再需要使用光纤连接单独的设备，而是可以将这些设备直接集成到紧凑、节能的光子芯片上。
研究人员认为，氮化硅波导材料的光损耗越低，产生频率梳所需的激光功率就越低。CU电子工程学、应用物理学教授、团队负责人麦克?利普森（Michal Lipson）说：“我们花费了很长的时间去研究如何消除氮化硅的大部分光损耗。终于在去年，我们证实低损耗波导材料的制造已经具备了可重复性。这项工作是减少芯片产生频率梳所需能量的关键。”
微型谐振器通常是由硅或氮化硅等制成的小型圆盘或圆环。将波导弯曲成环状可以产生光腔，光在其中循环多次后可以产生大量能量。利普森团队设计的谐振器极具创新：在他们制造的低损耗微型谐振器中，光循环可以聚集极强的能量，以至于可以观察到强烈的反射现象。论文第一作者、博士研究生布莱恩?斯特恩（Brian Stern）解释说：“我们将微谐振器直接置于激光腔的边缘，通过‘镜面反射’效果使激光保持一致。由此，我们不再需要传统的外部激光器，只需保证微谐振器和激光以新的相互作用形式工作即可。”
应用物理和材料科学教授、团队负责人亚历山大?盖塔(Alexander Gaeta)说：“所有的光学元件都安装在毫米级区域内。新设备非常高效，即使是普通的AAA级电池也可以为其供电。新装置可以用于超精密的光学时钟，自动驾驶汽车或精密光谱学设备。我们正在尝试将设计的实验室装置推向便携式设备，乃至可穿戴设备。”
目前，研究人员计划提高装置的扩展性和适用范围，并寻求实现商业化。
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：南熙
