具有数百个微观环的新芯片产生了第一个拓扑频率梳。图片来源：E. Edwards

科学家们在寻找紧凑而坚固的多色激光源时，已经产生了第一个拓扑频率梳。他们的结果依赖于一个带有数百个微观环图案的小型氮化硅芯片，发表在《科学》杂志上。

来自普通激光器的光以单一的、清晰的颜色发光，或者等效地以单一频率发光。频率梳就像一个增强的激光器，但不是发射单一频率的光，而是发出许多原始的、均匀分布的频率尖峰。尖峰之间的均匀间距类似于梳子的齿，因此频率梳得名。

最早的频率梳需要笨重的设备来制造。最近，研究人员一直专注于将它们小型化为基于芯片的集成平台。尽管在缩小生成频率梳所需的设备方面有了很大的改进，但基本思想并没有改变。创建一个有用的频率梳需要一个稳定的光源，以及一种通过利用光源变得更强烈时出现的光学增益、损耗和其他效应将光分散到梳齿中的方法。

在这项新工作中，JQI研究员Mohammad Hafezi，他也是马里兰大学（UMD）电气和计算机工程与物理学的Minta Martin教授，JQI研究员Kartik Srinivasan，他也是美国国家标准与技术研究所的研究员，以及几位同事将两条研究线结合成一种生成频率梳的新方法。

一条生产线正试图使用由半导体制成的微观谐振器环来小型化频率梳的创建。第二种涉及拓扑光子学，它使用重复结构的模式来创建不受制造中小缺陷影响的光路径。

“频率梳的世界在单环集成系统中呈爆炸式增长，”JQI和UMD物理系的研究生、新论文的主要作者Chris Flower说。“我们的想法本质上是，类似的物理学能否在数百个耦合环的特殊晶格中实现？这是系统复杂性的一次相当大的升级。

通过设计一个以二维网格排列的数百个谐振器环的芯片，Flower和他的同事们设计了一种复杂的干涉模式，该模式接收输入的激光并在芯片边缘循环，而芯片本身的材料将其分解成许多频率。

在实验中，研究人员从芯片上方拍摄了光线的快照，并表明它实际上是在边缘周围循环。他们还抽取了一些光，对其频率进行高分辨率分析，证明循环光具有两次频率梳的结构。他们发现了一把牙齿相对较宽的梳子，在每颗牙齿内，他们发现了一把较小的梳子。

虽然这种嵌套梳子目前只是一个概念证明——它的牙齿分布不均匀，而且它们有点太吵了，不能被称为原始的——但新设备最终可能会导致更小、更高效的频率梳子设备，可用于原子钟、测距探测器、量子传感器和许多其他需要精确测量光的任务。

理想频率梳中尖峰之间的明确间距使其成为这些测量的绝佳工具。正如尺子上均匀分布的线条提供了一种测量距离的方法一样，频率梳的均匀分布的尖峰可以测量未知频率的光。将频率梳与另一个光源混合会产生一个新信号，该信号可以揭示第二个光源中存在的频率。

至少在定性上，新芯片上微观环形谐振器的重复模式产生了围绕其边缘循环的频率尖峰模式。

单独地，微环形成微小的细胞，允许光子（光的量子粒子）从一个环跳到另一个环。微环的形状和大小经过精心选择，以在不同的跳跃路径之间产生恰到好处的干涉，并且将各个环组合在一起形成一个超级环。总的来说，所有的环将输入光分散到梳子的许多齿中，并沿着网格的边缘引导它们。

微环和较大的超级环为系统提供了两种不同的时间和长度尺度，因为光在较大的超级环周围传播的时间比任何较小的微环都要长。这最终导致了两个嵌套频率梳的产生：一个是由较小的微环产生的粗梳，频率尖峰间隔很远。在每一个粗间隔的尖刺中，都有一把更细的梳子，由超级环产生。

作者说，这种嵌套的梳中梳结构，让人想起俄罗斯的套娃，在需要精确测量两个不同频率的应用中可能很有用，而这两个频率恰好被一个很大的间隙隔开。

新实验的示意图。入射的脉冲激光（泵浦激光器）进入承载数百个微环的芯片。研究人员使用芯片上方的红外摄像头来捕捉在芯片边缘周围循环的光的图像，并使用频谱分析仪来检测循环光中的嵌套频率梳。图片来源：C. Flower

把事情做对

实验花了四年多的时间才完成，世界上只有一家公司可以制造该团队设计的芯片，这加剧了这个问题。

早期的芯片样品的微环太厚，弯曲太尖锐。一旦输入光穿过这些环，它就会以各种不需要的方式散射，从而消除产生频率梳的任何希望。

“正因为如此，第一代芯片根本无法工作，”弗劳尔说。回到设计上，他削减了环的宽度，并圆了边角，最终推出了第三代芯片，于 2022 年年中交付。

在迭代芯片设计时，Flower和他的同事们还发现，很难向芯片提供足够的激光功率。为了让他们的芯片工作，输入光的强度必须超过阈值，否则不会形成频率梳。

通常，该团队会使用商用连续连续激光器，该激光器可提供连续的光束。但是这些激光器向芯片传递了过多的热量，导致它们烧坏或膨胀并与光源对齐。该团队需要将能量集中在爆发中以应对这些热问题，因此他们转向脉冲激光器，该激光器可以在几分之一秒内提供能量。

但这带来了自己的问题：现成的脉冲激光器的脉冲太短，包含的频率太多。他们倾向于在芯片的边缘和中间引入一堆不需要的光，而不是芯片被设计为分散到频率梳中的特定边缘约束光。由于获得新芯片的交货时间和费用很长，该团队需要确保他们找到一种能够平衡峰值功率传输和更长持续时间的可调脉冲的激光器。

“我基本上向每家激光公司发送了电子邮件，”Flower说。“我一直在寻找能够为我定制可调谐和长脉冲持续时间激光器的人。大多数人说他们[没有]制造那个，而且他们太忙了，没有时间做定制激光器。但法国的一家公司回复我说，'我们可以做到。我们来谈谈吧。

他的坚持得到了回报，在从法国来回运送了几批为新激光器安装更强大的冷却系统后，该团队终于将正确的光发送到他们的芯片中，并看到了一个嵌套频率梳。

该团队表示，虽然他们的实验是针对由氮化硅制成的芯片的，但该设计可以很容易地转化为其他光子材料，这些材料可以在不同的频段中产生梳子。他们还认为他们的芯片引入了一个用于研究拓扑光子学的新平台，特别是在相对可预测的行为和更复杂的效应之间存在阈值的应用中，例如频率梳的产生。

更多信息：Christopher J. Flower 等人，拓扑频率梳的观测，《科学》（2024 年）。DOI： 10.1126/science.ado0053

期刊信息： Science