斯坦福大学的研究人员推出了一种新型的频率梳，这是一种高精度测量设备，具有创新性的小巧、超节能和异常精确的特点。随着不断的发展，这种突破性的“微梳”——3月7日发表在《自然》杂志上的一项研究中有详细说明——可能成为大众市场在日常电子产品中采用这些设备的基础。

频率梳是一种特殊的激光器，可产生均匀分布的光线，类似于梳子的齿，或者更恰当地说，是尺子上的刻度线。在大约四分之一个世纪的发展中，这些“光的标尺”彻底改变了许多类型的高精度测量，从计时到通过光谱学进行分子检测。然而，由于频率梳需要笨重、昂贵且耗电的设备，因此它们的部署在很大程度上仅限于实验室环境。

研究人员发现了解决这些问题的方法，将两种不同的方法集成到一个简单、易于生产的微芯片式平台中。研究人员设想的多功能技术的众多应用包括强大的手持式医疗诊断设备和广泛的温室气体监测传感器。

“我们的频率梳的结构将新兴微梳技术的最佳元素整合到一个设备中，”Amir Safavi-Naeini实验室的博士后学者Hubert Stokowski说，他是该研究的主要作者。“我们可以潜在地扩展我们的新频率微梳，以获得紧凑、低功耗和廉价的设备，这些设备几乎可以部署在任何地方。”

“我们对这种新的微梳技术感到非常兴奋，我们已经展示了新型精密传感器，这些传感器既小又高效，有朝一日可以出现在某人的手机中，”斯坦福大学人文与科学学院应用物理系副教授Safavi-Naeini说。

这种新器件称为集成调频光参量振荡器。

该工具的复杂名称表明它结合了两种策略，用于创建构成频率梳的不同频率或光的颜色范围。一种称为光学参量振荡的策略涉及在晶体介质内反射激光束，其中产生的光将自身组织成相干、稳定的波脉冲。

第二种策略的重点是将激光送入腔体，然后调制光的相位，最终产生类似于光脉冲的频率重复。

这两种微梳策略尚未被广泛使用，因为两者都有缺点。这些问题包括能源效率低下、调整光学参数的能力有限以及梳状“光带宽”欠佳，其中梳状线随着与梳状中心的距离增加而消失。

研究人员通过他们在一种称为薄膜铌酸锂的材料上非常有前途的光学电路平台上的工作，重新应对了这一挑战。与行业标准材料硅相比，该材料具有优越的性能。其中两个有用的特性是“非线性”，并且广泛的光波长可以通过它。

研究人员使用集成的铌酸锂光子学塑造了新频率梳核心的组件。这些光操纵技术建立在相关的、更成熟的硅光子学领域的进步之上，该领域涉及在硅微芯片上制造光学和电子集成电路。通过这种方式，铌酸锂和硅光子学都扩展了传统计算机芯片中的半导体，其根源可以追溯到 1950 年代。

“铌酸锂具有硅所没有的某些特性，如果没有它，我们就无法制造出我们的微梳设备，”Safavi-Naeini说。

接下来，研究人员将光学参量放大和相位调制策略的元素结合在一起。该团队期望铌酸锂芯片上的新型频率梳系统具有某些性能特征，但他们所看到的结果比他们预期的要好得多。

总体而言，梳子产生了连续输出而不是光脉冲，这使研究人员能够将所需的输入功率降低大约一个数量级。该器件还产生了一个方便的“扁平”梳子，这意味着波长离光谱中心较远的梳状线的强度不会减弱，从而在测量应用中提供更高的精度和更广泛的实用性。

“我们对这把梳子感到非常惊讶，”Safavi-Naeini说。“虽然我们有一些直觉，我们会得到类似梳子的行为，但我们并没有真正尝试制造这种类型的梳子，我们花了几个月的时间来开发解释其主要特性的模拟和理论。

为了进一步了解他们性能卓越的设备，研究人员求助于斯坦福大学应用物理学教授、J. G. Jackson和C. J. Wood物理学教授Martin Fejer。与斯坦福大学的其他同行一起，Fejer帮助推进了现代薄膜铌酸锂光子学技术，并加深了对材料晶体特性的理解。

Fejer也是该研究的合著者，他将微梳的物理原理与1970年代科学文献中讨论的想法联系起来，特别是斯坦福大学应用物理和电气工程名誉教授斯蒂芬·哈里斯开创的概念。

经过进一步珩磨的新型微梳应该可以很容易地在传统的微芯片代工厂制造，具有许多实际应用，如传感、光谱学、医疗诊断、光纤通信和可穿戴健康监测设备。

“我们的微梳芯片可以放入任何东西中，整个设备的尺寸取决于电池的大小，”Stokowski说。“我们展示的技术可以进入低功耗的个人设备，手机大小甚至更小，并用于各种有用的目的。