连体 "赛道 "使新型光学设备成为可能

三年前，当我们最后一次采访加州理工学院的凯瑞-瓦哈拉（Kerry Vahala）时，他的实验室最近报道了一种名为 "交钥匙频率微蜂窝"（turnkey frequency microcomb）的新型光学设备的研发成果，该设备可应用于数字通信、精密计时、光谱学甚至天文学领域。

这种装置是在硅晶片上制造的，它能接收一个频率的激光输入，并将其转换成均匀分布的许多不同频率的光，形成一连串脉冲，其长度可短至 100 飞秒（四十亿分之一秒）。(名称中的 "梳子 "来自于频率的间隔就像梳子的齿一样）。

现在，加州理工学院信息科学与技术和应用物理学泰德和金格-詹金斯教授兼应用物理学和材料科学执行官瓦哈拉，与他的研究小组成员和加州大学圣塔芭芭拉分校的约翰-鲍尔斯小组成员一起，在一种名为超低损耗氮化硅（ULL nitride）的重要新材料（一种由硅和氮组成的化合物）中形成短脉冲的方式上取得了突破性进展。这种氮化硅的纯度极高，并以薄膜形式沉积。

从原理上讲，用这种材料制成的短脉冲微蜂窝器件只需很低的功率就能工作。遗憾的是，这种材料无法正常产生短光脉冲（称为孤子），因为它具有一种称为色散的特性，这种特性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，这使得 ULL 氮化物波导无法支持微蜂窝操作所需的短脉冲。

在发表于《Nature Photonics》的一篇论文中，研究人员讨论了他们开发的新型微蜂窝，这种微蜂窝通过成对产生脉冲，克服了 ULL 氮化物固有的光学限制。这是一项重大进展，因为 ULL 氮化物是用制造计算机芯片的相同技术制造的。这种制造技术意味着这些微蜂窝有朝一日可以集成到与智能手机类似的各种手持设备中。

图1. a, 示意图显示形成复合激励的相干脉冲对。插图是实验中使用的双耦合环形谐振器的显微照片。A 环和 B 环已标出。b, 同时测量从 a 耦合环谐振器的直通口（泵浦端口）和下降口收集的光学光谱。如色散曲线所示，在与相位匹配条件相对应的频谱位置观察到两个色散波。 c，微蜂窝拍频的射频频谱。RBW，分辨率带宽。 d，三耦合环形微谐振器中的三脉冲发生说明，其中脉冲交替配对。插图是实验中使用的三耦合环微谐振器的显微照片。e, 三脉冲微谐振器的光谱测量。f, 微蜂窝拍频的射频光谱。资料来源：《Nature Photonics》（2023 年）。

普通微蜂窝最显著的特征是一个小的光环，看起来有点像一个小赛道。在运行过程中，孤子会自动形成并围绕它循环。

共同作者、应用物理学研究生袁志权说：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。

把环路想象成赛车场上的汽车。如果一些汽车行驶得更快，一些汽车行驶得更慢，那么它们在环绕赛道时就会分散开来，而不是紧紧地围成一圈。同样，ULL 的正常色散意味着光脉冲会在微蜂窝波导中散开，微蜂窝也会停止工作。

图2. 在这个gif图中，可以看到光脉冲(孤子)在连接的光轨道中旋转。来源:Yuam, Bowers, Vahala等人。

研究小组设计的解决方案是创建多个赛道，将它们配对起来，使它们看起来有点像 "8 "字形。在 "8 "字形的中间，两条赛道相互平行，中间只有很小的缝隙。

如果我们继续用赛道来打比方，这就好比两条赛道共用一条直道。当每条赛道上的车辆汇聚到共用路段时，就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会迫使汽车减速一样，两个微蜂窝的连接段也会迫使成对的激光脉冲聚集在一起。这种聚集抵消了脉冲分散的趋势，使微蜂窝能够正常工作。

"实际上，这抵消了正常色散，使整个复合系统具有相当于反常色散的特性。

当增加更多赛道时，这一想法就会得到延伸，研究小组已经展示了三个赛道如何通过创建两组脉冲对来运行。瓦哈拉相信，即使有许多耦合赛道（微蜂窝），这种现象也会继续发挥作用，从而为孤子脉冲提供了一种创建大型光子电路阵列的方法。

图3. 新型的微蜂窝装置是一对相连的光轨，当更多的光轨组合在一起时也能发挥作用。资料来源：Yuam, Bowers, Vahala, et al.

如上所述，这些 ULL 微蜂窝是用制造基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的计算机芯片的相同设备制造的。电子与计算机工程学教授鲍尔斯参与了这项研究，他指出：CMOS 工艺的制造可扩展性意味着，现在制造短脉冲微蜂窝并将其集成到现有技术和应用中将变得更加容易和经济。

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

介绍这项研究的论文《Soliton pulse pairs at multiple colours in normal dispersion microresonators》发表在 11 月份的《Nature Photonics》上。