探索宇宙奧秘 · 理性思考

光頻梳是精密測(cè)量領(lǐng)域的"尺子"。這種激光源發(fā)出等間距光譜線，像一把精細(xì)的梳子。它支撐了原子鐘和高速光通信，還獲得2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但傳統(tǒng)設(shè)備體積龐大?？茖W(xué)家一直試圖把它縮小到芯片上。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的Lon?ar團(tuán)隊(duì)剛剛?cè)〉藐P(guān)鍵突破。他們利用薄膜鈮酸鋰制造出高效芯片級(jí)微梳，成果發(fā)表于《Science Advances》。

薄膜鈮酸鋰是理想材料。這種晶體具有超強(qiáng)的電光調(diào)制能力，能用電壓精確控制光信號(hào)。Lon?ar團(tuán)隊(duì)過去十年開創(chuàng)了這個(gè)平臺(tái)。

但鈮酸鋰有個(gè)"頑疾"：拉曼效應(yīng)。晶格振動(dòng)會(huì)散射激光，導(dǎo)致輸出單色光，無法形成光梳。這就像試圖讓合唱團(tuán)唱出階梯式音階，但有人一直跑調(diào)。

哈佛團(tuán)隊(duì)找到解決辦法。他們采用X切向鈮酸鋰晶圓，并設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)跑道型諧振器。這種結(jié)構(gòu)能抑制拉曼效應(yīng)。

這種微梳功率轉(zhuǎn)換效率極高。它能把大部分激光功率轉(zhuǎn)化為梳齒，間距適合芯片級(jí)光通信。

更重要的是，生成光梳的諧振器只有毫米大小。它可以與其他光子元件無縫集成。這為下一代光子系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)還有意外收獲。殘余拉曼效應(yīng)并未破壞光梳，反而與之鎖定。這產(chǎn)生了一種更寬的混合微梳。

奧克蘭大學(xué)的理論模擬證實(shí)，這種新光梳在全光譜范圍內(nèi)保持相位相干。它能覆蓋傳統(tǒng)方法難以觸及的光譜波段。

混合微梳特別適用于中紅外光譜傳感。許多氣體和化學(xué)物質(zhì)在該波段有特征吸收。新器件可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和化學(xué)分析。

此外，毫米級(jí)尺寸意味著大規(guī)模生產(chǎn)可能。因此成本將大幅降低。

中國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域緊追前沿。南京大學(xué)祝世寧、張勇團(tuán)隊(duì)在薄膜鈮酸鋰微梳和量子光源方面取得突破。

浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)深耕鈮酸鋰光子集成。中山大學(xué)蔡鑫倫團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高性能電光調(diào)制器。

目前中國(guó)在薄膜鈮酸鋰光子學(xué)領(lǐng)域處于并跑階段。國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)數(shù)量快速增長(zhǎng)。我們?cè)谔囟☉?yīng)用場(chǎng)景和工藝優(yōu)化上有優(yōu)勢(shì)。

但平臺(tái)級(jí)原始創(chuàng)新，如Lon?ar團(tuán)隊(duì)的開創(chuàng)性工作，仍主要來自美國(guó)。這種格局提醒我們：材料平臺(tái)的突破往往引領(lǐng)整個(gè)領(lǐng)域變革。

這項(xiàng)進(jìn)展標(biāo)志著鈮酸鋰正式成為高性能微梳的實(shí)用平臺(tái)。從抑制"噪聲"到利用"噪聲"，科學(xué)家展現(xiàn)了材料工程的精妙。

光頻梳的芯片化進(jìn)程因此加速。未來我們的手機(jī)和傳感器里，可能都藏著這樣一把"光梳"。