三年前，当我们上次采访加州理工学院的KerryVahala时，他的实验室最近报告了一种名为交钥匙频率微梳的新型光学设备的开发，该设备可应用于数字通信、精确计时、光谱学，甚至天文学。

该设备在硅晶片上制造，接收一个频率的输入激光，并将其转换为一组均匀间隔的许多不同频率，形成一系列脉冲，其长度可短至100飞秒(千万亿分之一秒)。(名字中的梳子来自于像发梳齿一样间隔的频率。)

现在，加州理工学院信息科学与技术和应用物理学教授Ted和GingerJenkins教授、应用物理和材料科学执行官Vahala及其研究小组和加州大学圣巴巴拉分校的JohnBowers小组的成员在短脉冲在一种称为超低损耗氮化硅(ULL氮化物)的重要新材料中形成的方式，这是一种由硅和氮形成的化合物。氮化硅被制备成极其纯净并沉积在薄膜中。

原则上，由这种材料制成的短脉冲微梳装置需要非常低的功率来运行。不幸的是，由于色散的特性，短光脉冲(称为孤子)无法在这种材料中正确生成，色散会导致光或其他电磁波根据其频率以不同的速度传播。ULL具有所谓的正常色散，这会阻止由ULL氮化物制成的波导支持微梳操作所需的短脉冲。

在《自然光子学》杂志上发表的一篇论文中，研究人员讨论了他们开发的新型微梳，该微梳通过成对产生脉冲来克服ULL氮化物固有的光学限制。这是一项重大进展，因为ULL氮化物是采用与制造计算机芯片相同的技术制造的。这种制造技术意味着这些微梳有朝一日可以集成到各种类似于智能手机的手持设备中。

普通微梳最显着的特征是一个小的光学环路，看起来有点像一个微小的跑道。在运行过程中，孤子会自动形成并围绕其循环。

“然而，当这个环由ULL氮化物制成时，色散会破坏孤子脉冲的稳定性，”合著者、应用物理学研究生袁志全说。

将环路想象成一条有汽车的赛道。如果一些汽车行驶得更快，一些汽车行驶得更慢，那么它们在绕轨道行驶时就会分散开来，而不是保持紧密的状态。类似地，ULL的正常色散意味着光脉冲在微梳波导中扩散，并且微梳停止工作。

在这张动画gif中，可以看到光脉冲(孤子)在相连的光轨道上旋转。图片来源：Yuam、Bowers、Vahala等。

该团队设计的解决方案是创建多个赛道，将它们配对，使它们看起来有点像八字形。在“8”的中间，两条轨道彼此平行，之间只有很小的间隙。

如果我们继续用赛道进行类比，这就像两条赛道直接共用一条赛道。当每条轨道上的汽车汇聚到共享路段时，它们会遇到类似交通堵塞的情况。就像高速公路上两条车道合二为一迫使汽车减速一样，两个微梳的连接部分迫使成对的激光脉冲聚集在一起。这种聚集抵消了脉冲扩散的趋势，并使微梳能够正常工作。

“实际上，这抵消了正常色散，并使整个复合系统相当于反常色散，”研究生兼合著者高茂东说。

当添加更多赛道时，这一想法得到了扩展，并且该团队已经展示了如何通过创建两组脉冲对来运行三个赛道。瓦哈拉相信，即使有许多耦合跑道(微梳)，这种现象也将继续发挥作用，从而提供了一种为孤子脉冲创建大型光子电路阵列的方法。

如上所述，这些ULL微梳是使用与制造基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的计算机芯片相同的设备制造的。电气和计算机工程教授Bowers参与了这项研究，并指出：“CMOS工艺的制造可扩展性意味着现在制造短脉冲微梳并将其集成到现有技术和应用中将变得更容易、更经济。”。

关于这些应用，瓦哈拉说：“梳子就像光学领域的瑞士军刀。它具有许多不同的功能，这就是为什么它是如此强大的工具。”

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