用於實現可靠測量工具的新型微頻率梳

在一項可以縮小許多測量技術的進步性研究中，美國國家標準與技術研究所（NIST）和合作夥伴的科學家們展示了一種小型化的裝置，它們能夠產生足夠精確的光的頻率或顏色，可用於國際計量標準。

研究人員將一對頻率梳、可調諧微型激光器和電子器件結合在一起，形成光學頻率合成器。其具有先進的傳輸能力，以實現光學頻率從桌面規模儀器到三個硅晶元上的編程，同時保持高精度和準確率。

正如收音機和微波晶元為電子革命提供動力一樣，光學頻率合成器的小型化，使之成為攜帶型和適合大容量的製造，應該會促進諸如計時、通信、微量氣體監測和天文學等領域。

原型合成器在近日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中被詳細描述。頻率梳是美國國家標準與技術研究所開發的一種曾獲得諾貝爾獎榮譽的技術，它對後來的實驗性原子鐘是至關重要的。

「沒有人知道如何用小晶元製作光學頻率合成器，」美國國家標準與技術研究所論文的共同作者Scott Papp說。「這是第一個突破，表明你可以做到這一點。直到現在，還沒有人使用晶元級頻率梳來進行完全符合國際標準的計量。」

該項目由科羅拉多的美國國家標準與技術研究的所物理學家領導，其中一個梳狀晶元由加州理工大學實現製造，第二個梳狀晶元是在美國國家標準與技術研究所的納米科學與技術中製造的。加州大學聖塔巴巴拉分校開發了一種可編程半導體激光器晶元。

三個晶元中的每一個大約為5毫米×10毫米。隨著材料和製造的進一步發展，晶元可能會被美國國家標準與技術研究所的合作機構之一封裝在一起，Papp說。

在一個由金屬和玻璃部件手工組裝的全尺寸桌面梳形激光器中，激光在一個光學腔中循環，還有一組專門的反光鏡，產生一組等距的光譜，看起來像一個梳子，每個齒都是一個單獨的顏色。基於晶元的版本，空腔是扁平的，圓形的跑道，是用自動化技術製造的，類似於製作計算機晶元所使用的技術。

新的光學合成器只使用250毫瓦（千分之一瓦）的片上光功率遠小於一個典型的全尺寸頻率梳。

合成器輸出是可編程激光器，其光波振蕩作為實現標準時間的光學時鐘，這一標準時間基於銫原子的微波振動的國際時間標準。輸出激光由兩個頻率梳引導，這兩個梳提供微波和光學頻率之間的同步連接。

每一個梳子都是由一個單獨的、單一顏色的「泵浦」激光器發出的光產生的。美國國家標準與技術研究所梳齒直徑為40微米（百萬分之一米）。這個梳子在齒之間有很寬的間隔，但是通過跨八度來抵消它本身，就像音樂一樣，它指的是兩個音符之間的間隔，這兩個音符的頻率是彼此的一半或兩倍。這個特性校準合成器。

跑道波導是一種由氮化硅製成的定製波導，它提供了特殊的特性，可以擴大光的光譜，將光集中在一個小的區域以增強強度，可以通過幾何形狀的變化來調節，並且可以通過光刻技術像計算機晶元一樣製成。

加州理工學院的梳子在物理結構上更大，大約是100倍寬，由熔融石英製成。但是，這種梳子在1550納米波段的通信中更精細，跨度更窄，是合成器演示的焦點。齒之間的間距是可相對於標準秒的測量和控制的微帶頻率。通過數字數學轉換過程，這種細齒梳在校準美國國家標準與技術研究所梳齒的較寬間距內識別穩定、精確的光學頻率。

因此，這兩個梳狀器起到倍頻器的作用，在保持精度和穩定性的同時，將時鐘滴答從微波轉換到光域。

研究小組通過合成一組波段中的光學頻率來演示該系統，並用來自同一時鐘的單獨的頻率梳來表徵性能。研究人員論證了該系統的結構，驗證了頻率合成的正確性，證實了該合成器在時鐘與頻率梳輸出之間提供了穩定的同步。

來源：https://phys.org/news/2018-04-team-tiny-frequency-reliable-tools.html