科学家们一直在寻找紧凑而稳定的多色激光光源，他们制造出了第一个拓扑频率梳。他们的成果发表在《科学》杂志上，该成果依赖于一个带有数百个微环图案的小型氮化硅芯片。

新型光子芯片催生嵌套拓扑频率梳

普通激光器发出的光具有单一、清晰的颜色，或者说单一频率。频率梳就像是增强型激光器，但它发出的光不是单一频率，而是许多纯净、间隔均匀的频率尖峰。尖峰之间的均匀间隔类似于梳齿，频率梳因此得名。

最早的频率梳需要笨重的设备才能制造。最近，研究人员一直致力于将它们小型化为集成的芯片平台。尽管在缩小生成频率梳所需的设备方面取得了很大进步，但基本思想并没有改变。制造一个有用的频率梳需要稳定的光源，以及一种利用光源变得更强时出现的光增益、损耗和其他效应将光分散到梳齿中的方法。

在这项新研究中，JQI研究员MohammadHafezi(他也是马里兰大学(UMD)电气与计算机工程和物理学的MintaMartin教授)、JQI研究员KartikSrinivasan(他也是国家标准与技术研究所的研究员)和几位同事将两条研究路线结合起来，开发出一种生成频率梳的新方法。

一条路线试图利用由半导体制成的微型谐振环来缩小频率梳的体积。第二条路线涉及拓扑光子学，它使用重复结构的图案来创建不受制造过程中微小缺陷影响的光路。

“频率梳领域在单环集成系统中呈现爆炸式增长，”JQI和马里兰大学物理系研究生、新论文的主要作者ChrisFlower说道。“我们的想法本质上是，类似的物理现象能否在数百个耦合环组成的特殊晶格中实现?这大大提升了系统的复杂性。”

通过设计一个在二维网格中排列有数百个谐振环的芯片，弗劳尔和他的同事设计出了一种复杂的干涉模式，该模式接收输入的激光并使其在芯片边缘循环，同时芯片本身的材料将其分成许多频率。

在实验中，研究人员从芯片上方拍摄了光线快照，并显示光线确实在边缘周围循环。他们还抽取了部分光线，对其频率进行高分辨率分析，证明循环光线具有两倍频率梳的结构。他们发现了一把梳子，梳齿相对较宽，而每把梳齿内还隐藏着一把较小的梳子。

虽然这种嵌套梳目前还只是概念验证——它的梳齿间距不太均匀，而且噪音太大，不能称之为完美——但这种新装置最终可以制造出更小、更高效的频率梳设备，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，频率梳中均匀分布的尖峰可以测量未知的光频率。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。

重复导致重复

至少从质量上来说，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。

单个微环形成微小的单元，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扰，单个环组合在一起形成一个超级环。所有环共同将输入光分散到梳齿的许多齿中，并引导它们沿着网格的边缘传播。

微环和较大的超环为系统提供了两种不同的时间和长度尺度，因为光在较大的超环中传播所需的时间比在较小的微环中传播所需的时间更长。这最终导致产生两个嵌套的频率梳：一个是由较小的微环产生的粗梳，频率尖峰间隔较大。在每个粗间隔的尖峰中都有一个由超环产生的更细的频率梳。

作者说，这种嵌套梳子结构让人联想到俄罗斯套娃，它可用于需要精确测量两个恰好被较大间隙隔开的不同频率的应用。

新实验的示意图。传入的脉冲激光(泵浦激光)进入一个包含数百个微环的芯片。研究人员使用芯片上方的红外摄像机捕捉芯片边缘周围循环的光的图像，并使用光谱分析仪检测循环光中的嵌套频率梳。图片来源：C.Flower

把事情做好

这个实验花了四年多的时间才完成，而由于世界上只有一家公司能够生产该团队设计的芯片，因此问题更加严重。

早期芯片样品的微环太厚，弯曲角度太大。一旦输入光穿过这些微环，就会以各种不希望的方式散射，从而让产生频率梳的希望破灭。

“第一代芯片就是因为这个原因而无法正常工作，”弗劳尔说。回到设计上，他缩小了环宽，并将边角修整成圆形，最终设计出了第三代芯片，预计于2022年中期交付。

在反复设计芯片时，弗劳尔和他的同事还发现，向芯片中输送足够的激光功率非常困难。为了使芯片正常工作，输入光的强度必须超过阈值，否则就不会形成频率梳。

通常情况下，该团队会使用商用CW激光器，它可以发出连续的光束。但这些激光器会向芯片传递过多的热量，导致芯片烧坏或膨胀，并与光源错位。该团队需要将能量集中起来以解决这些热问题，因此他们转向使用脉冲激光器，这种激光器可以在几分之一秒内传递能量。

但这也带来了自身的问题：现成的脉冲激光器的脉冲太短，包含的频率太多。它们往往会在芯片的边缘和中间引入一堆不需要的光，而不是芯片设计时要分散成频率梳的特定边缘约束光。由于获得新芯片需要较长的准备时间和费用，该团队需要确保找到一种能够平衡峰值功率传输和更长持续时间、可调脉冲的激光器。

“我给几乎每一家激光公司都发了电子邮件，”弗劳尔说。“我寻找能为我制造定制可调长脉冲激光器的人。大多数人说他们没有制造这种激光器，他们太忙了，没时间制造定制激光器。但法国的一家公司回复我说，‘我们可以做。我们聊聊吧。’”

他的坚持得到了回报，在从法国来回运送了几次货物为新激光器安装更强大的冷却系统之后，该团队终于将正确类型的光送入了他们的芯片，并看到了嵌套的频率梳出现。

研究团队表示，虽然他们的实验是针对氮化硅芯片进行的，但该设计可以很容易地转化为其他可以在不同频带中产生梳状的光子材料。他们还认为他们的芯片为研究拓扑光子学引入了一个新平台，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——比如频率梳的产生。