光革命：突破頻率梳轉變光子學領域

頻率梳正從電信到天體物理學等領域，掀起光學革命，但它們的複雜性一直是發展的絆腳石。近期鉭酸鋰技術的進展改變了這一局面，創造出了一種緊湊、易用的頻率梳產生器，兼具令人難以置信的效率和寬頻帶。這一突破可能重塑機器人技術和環境監測等領域，帶來令人興奮的新可能。

在現代光學中，頻率梳是幫助極高精度測量光的重要工具。它們促使電信、環境監測和天體物理學等領域取得了重大進展。然而，長期以來，製造緊湊且高效的頻率梳一直是個挑戰，直到現在。

1993年首次推出的電光頻率梳，在利用級聯相位調製產生光學頻率梳方面顯示出巨大潛力。儘管前景光明，但由於高功率需求和有限的頻寬，其發展停滯不前。因此，該領域轉向了飛秒雷射和Kerr孤子微梳。雖然這些技術有效，但它們存在複雜的調諧過程和高功率需求，使得它們難以廣泛應用。

近期薄膜電光整合光子電路的發展，重新燃起了人們對電光頻率梳的興趣，尤其是使用鈮酸鋰等材料。然而，在降低功耗的同時擴充套件頻寬仍然是一個主要難題。此外，鈮酸鋰固有的雙折射特性（即光束分裂的傾向）對可達到的頻寬設定了基本限制，制約了進一步的發展。

洛桑聯邦理工學院（EPFL）、科羅拉多大學礦業學院和中國科學院的科學家們，透過在新開發的鉭酸鋰平臺上結合微波和光學電路設計解決了這一問題。與鈮酸鋰相比，鉭酸鋰的固有雙折射低了17倍。在託拜厄斯·J·基彭貝格（Tobias J. Kippenberg）教授的帶領下，研究人員開發出一種電光頻率梳產生器，實現了前所未有的450奈米光譜覆蓋範圍，擁有超過2000條頻率梳譜線。與先前的設計相比，這一突破擴充套件了裝置的頻寬，並將微波功率需求降低了近20倍。

該團隊引入了一種整合的三重諧振架構，其中三個相互作用的場（兩個光學場和一個微波場）和諧共振。這是透過一種將單片微波電路與光子元件整合的新型協同設計系統實現的。透過在鉭酸鋰光子積體電路上嵌入分散式共面波導諧振器，團隊顯著提高了微波限制和能量效率。

該裝置尺寸緊湊，佔地面積僅1×1平方公分，這得益於鉭酸鋰較低的雙折射。這最大限度地減少了光波之間的幹擾，從而實現了平穩且一致的頻率梳產生。此外，該裝置使用簡單的自由運轉分散式反饋雷射二極體執行，比Kerr孤子對應裝置更加易用。

新型頻率梳產生器的超寬頻帶跨度達到450奈米，超越了現有電光頻率梳技術的極限。它在90%的自由光譜範圍內穩定執行，無需複雜的調諧機制。這種穩定性和簡單性為實用的現場部署應用開啟了大門。

這款新裝置可能引發光子學領域的正規化轉變。憑藉其堅固的設計和緊湊的尺寸，它可能對機器人技術等領域產生影響，在機器人技術中精確的雷射測距至關重要；也會影響環境監測領域，在該領域精確的氣體感測必不可少。此外，這種協同設計方法的成功凸顯了將微波和光子工程整合用於下一代裝置的巨大潛力。

參考文獻：Junyin Zhang、Chengli Wang、Connor Denney、Johann Riemensberger、Grigory Lihachev、Jianqi Hu、Wil Kao、Terence Blésin、Nikolai Kuznetsov、Zihan Li、Mikhail Churaev、Xin Ou、Gabriel Santamaria - Botello和Tobias J. Kippenberg的《鉭酸鋰中的超寬頻整合電光頻率梳》，2025年1月22日，《自然》期刊。DOI: 10.1038/s41586 - 024 - 08354 - 4。所有樣品均在洛桑聯邦理工學院微納技術中心（CMi）和物理研究所（IPHYS）的無塵室製造。鉭酸鋰絕緣體（LTOI）晶圓在上海新矽整合技術有限公司（NSIT）和中國科學院上海微系統與資訊科技研究所（SIMIT - CAS）製造。