自对准双泵浦方案为光学频率梳提供新途径

Miro Erkintalo。[图片：奥克兰大学]

美国和新西兰的科学家展示了一种基于双泵浦激光器的新型频率梳，它有潜力最终将频率梳技术从小众科学仪器转变为面向大众市场的芯片级产品（Nature，doi：10.1038/s41586-026-11086-2）。他们表示，这种跨倍频程、自对准的微梳为实现用于导航、计时和传感的紧凑型器件开辟了可能。

跨越倍频程

频率梳如同电磁钟表机构，使得原本难以测量的光频能够通过电子计数器加以确定。频率梳产生密集的激光脉冲序列，在频域上表现为一系列等间距、极窄的谱线。任意一条谱线的频率值，可通过将其在序列中的位置乘以恒定的频率间隔（等于脉冲重复频率），再加上一个频率偏移量计算得出。正是由于重复频率通常位于频谱的微波波段，光频才能被电子方式记录下来。

这些器件最早于 20 世纪 90 年代通过提取笨重的锁模激光器的输出得以实现。近来，研究人员展示了如何将连续波泵浦激光器发出的光导入在芯片上制造的微型环形谐振器，并利用非线性相互作用在泵浦频率周围产生大量边带，从而生成这种梳状输出。

制造频率梳的一大挑战在于需要测量频率偏移量——实际上就是器件频谱最低端与其第一条谱线之间的差距。这可以通过将最低谱线的频率倍频，并使其与高一个倍频程的谱线产生拍频来实现（因为该频率差等于偏移频率）。然而，即使是大多数激光材料或谐振器平台的输出，也远未达到一个倍频程。

物理学家 John Hall 和 Theodor Hänsch 因部分展示了如何利用光子晶体光纤将钛蓝宝石频率梳的频谱展宽到一个倍频程以上，而获得 2005 年诺贝尔物理学奖。此后，其他研究人员发现，他们可以利用芯片集成微梳的输出跨越一个倍频程，这类微梳产生被称为耗散克尔孤子的孤立光脉冲。然而，由于这些器件由单个低功率种子泵浦产生级联的边带序列，梳两端的谱线通常较弱且噪声较大，需要额外的装置才能可靠地测量频率偏移，从而限制了它们在实际应用中的使用。

研究人员展示了可将双泵浦频率梳转变为实用器件的关键特性：跨倍频程的片上泵浦激光器，以及原本不同的偏移频率的对准。[图片：Carl De Torres 摄于光学实验室]

更清晰的谱线

在最新研究中，美国 NIST/马里兰大学的 Grégory Moille 和 Kartik Srinivasan、新西兰奥克兰大学的 Miro Erkintalo，以及来自美国其他机构的同事展示了如何通过转而利用由一对连续波泵浦激光器驱动的谐振器中所谓的参量驱动腔孤子来克服这一缺陷。该方案产生的频率梳跨越两个泵浦频率之间的间隔，从而得到尖锐、清晰的端部谱线。

在2021年比利时和英国开展的研究工作以及他们自己近期的原理验证实验基础上，Srinivasan及其同事如今通过演示几个关键的实际要素，展示了这种方法的商业潜力。其中之一是利用输出相差一个倍频程的片上泵浦产生这种新型孤子。另一个是展示这种器件能够在泵浦所定义的整个光谱范围内产生单条频率梳，其中克尔非线性将原本三个不同的偏移频率对齐。

演示与后续步骤

研究人员使用在商用四英寸晶圆上以氮化硅制造的、直径为数十微米的微环谐振器进行了演示。他们表明，在晶圆不同位置甚至不同晶圆上制造的微环都能产生自对准频率梳，唯一的差别是由于氮化硅厚度的变化导致绝对泵浦频率略有偏移。他们说，这些偏移可以通过在器件中集成微型加热器来补偿，所需电功率约为100毫瓦。

他们认为，由于近乎谐波相关的泵浦激光器（其中一个的频率几乎是另一个的两倍）所提供的灵活性，这类器件可有多种应用。通过测量两个泵浦之间的拍频（其中频率较低者被倍频）在片外确定频率偏移后，他们表示现在拥有额外的自由度来稳定重复频率或将器件输出锁定到计时原子。

在他们的实验室中，Moille、Srinivasan及其同事演示了他们所称的频率梳计量的三项核心任务。首先，他们演示了如何从给定的微波标准出发向上产生特定的光频。然后，他们反向运行这套“钟表机构”，利用低噪声激光器产生微米或毫米波长的低噪声辐射。最后，他们通过将频率梳输出锁定到蒸气室中铷-87原子的辐射，稳定了微波时钟的走时。

迈向实际应用

然而研究人员承认，他们的技术目前尚未达到实际应用的水平。他们的器件具有高重复频率，他们说这在限制梳齿密度、从而防止泵浦功率过度稀释方面是一个优点。但这样的重复频率过高，无法用电子学方法测量，这意味着他们目前不得不在装置中加入一个笨重的相位调制器来降低频率。

他们认为，将他们的频率梳与低重复频率器件配对，可将封装的整体尺寸、重量和功耗保持在合理水平，从而提供一条“高效的实际部署路径”。此外，他们补充说，如果未来能够经济地制造和运行跨越单个倍频程的低重复频率频率梳，他们的自对准频率梳方案也可应用于这类器件。