连体环路概念催生光学创新，有望被集成进新的手持设备

文章编号：733 / 更新时间：2024-04-20 17:54:22 / 浏览：次

近日，国外研究小组在一种新型材料――超低损耗氮化硅（是一种由硅和氮制成的化合物）中形成短脉冲获得了重大的进展。这一新的进展来自于加州理工学院KerryVahala所带领的研究团队以及加州大学圣巴巴拉分校的JohnBowers研究团队。而早在三年前，加州理工学院的KerryVahala就已提出这一突破性的光学创新设备。

光脉冲在相连的光轨道上旋转

当时所提出的这一设备被称为：交钥匙频率微梳，这一设备在数字通信、精密计时、光谱学和天文学等领域都有广泛应用的潜力。这一设备的原理主要是：该设备是被制造于硅晶片上的，在接收到一个频率的输入后，通过均匀地间隔开许多单独的频率（梳：频率间隔），形成一组均匀分布的多种不同频率的光，这就意味着将其转换为一连串脉冲，其长度短至100飞秒（万亿分之一秒）。

而近来的新进展主要是在新材料上形成了短脉冲，前文提到的超低损耗氮化硅其实就是氮化硅以薄膜的形式沉积，但在此之前它经过了极度细致的纯化过程，因此其拥有极高的纯度。从原理上讲，用这一材料制造短脉冲微梳器件，只需要很低的功率即可运行。但是这种材料有着不一般的特殊，被称为色散的特性。

什么是色散？可以解释为是一种波的相速度取决于其频率的现象。在光学领域，色散是电信信号沿传输线或光纤中光脉冲的一种特性。在物理上，分散转化为通过吸收损失的动能。

恰恰正是这一特性的存在阻碍了该材料正常产生光脉冲，因此超低损耗氮化硅波导无法维持微梳操作所需的短脉冲。而研究人员解决了这一问题，通过最新开发的新型微梳产生成对的脉冲，克服了超低损耗氮化硅固有的光学限制。为何说这一研究是重大进展？主要是因为超低损耗氮化硅的制备过程与计算机芯片的制造是相同的工艺，这就意味着在未来的某一天，这种新型的微梳设备是可以被集成进诸如智能手机等便携式的手持小工具中的，这将有可能催生新型手持式设备。目前该论文发表于《自然光子学》。

微梳其实可以理解为一个微小的光学环路，如上文图中类似跑道一样。当其运行时，光脉冲会自发形成，并围绕它移动，但是超低损氮化硅制成的环路是存在色散特性的，这就会导致光脉冲不稳定。将环路想象成汽车赛道，平日里我们所观看的赛车，当一些车辆比其他车辆速度更快，它就会脱离均匀速度的群体，与其分散开来，同样的道理，当超低损氮化硅环路发生正常色散时，就意味着光脉冲会在微梳波导中散开，导致微梳无法工作。

因此研究人员的想法就是，多建几条环路，然后进行配对，类似数字“8”，在＂8＂字形的中间，两条赛道相互平行，中间只有很小的缝隙。从下图我们可以明显看出这一设计想法。

为什么要做成这种配对呢？其实还是可以用平日里的交通行驶来理解，从图中大家可以看到，这一圈圈的路径，总会有一条直道是重合的，这也就意味着两辆汽车在两个跑道里行驶的过程中，总归会汇聚到重合的路段，这就会出现，我们日常生活中遇到的分叉路口交通堵塞，一但进入汇聚路段，汽车就必须减速，这就相当于到这一路径，被聚集了，再重新出发，这样一来就能有效地解决了光脉冲因色散问题自然分散，让微梳发挥最佳功能。三条环路的方式也是同理，如同为光脉冲构建出完整的光子电路阵列。

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