- 新型光学频率梳芯片可执行多项测量任务，推进便携式原子钟及导航系统。
- SParCS方法结合两个不同频率的激光，解决了频率梳的稳定性问题。
- 该芯片在稳定性和噪声性能上与大型桌面系统相当，具备广泛应用潜力。
- 研究团队计划扩大频率范围，探索单一激光运行的可能性。
研究人员展示了一种基于芯片的光学频率梳，其在关键测试中与大型桌面系统相媲美，同时允许单一装置执行多项测量任务，这是朝向便携式原子钟及无需 GPS 的导航系统迈出的重要一步。该装置采用了名为自对齐参数驱动腔孤子（SParCS）的新方法。光学频率梳产出一系列精确间隔的光频，形成一把科学家用于测量光学频率并将其连接到电子信号的标尺。来自联合量子研究所（JQI）、国家标准与技术研究所（NIST）及国际合作伙伴的研究人员，通过将微波信号（每秒震荡数十亿次）与以每秒数百兆次运行的光学光源连接，对芯片进行了测试。
在一项原子钟测试中，该芯片将极其稳定的光学参考转换为传统电子设备可以读取的微波信号。它测量的原始光学频率以每秒数百兆次的震荡，与预期的原子值相差约 100,000 次震荡每秒。
SParCS方法的创新
传统的芯片级频率梳通常将一个激光注入一个微型环形谐振腔。结果产生的频率梳延伸至两侧的频率，但外围的“齿”可能变得较弱且不够明确，需要额外设备来放大和稳定它们。SParCS 则使用两个不同频率的激光作为频率梳的边缘或“书挡”。在它们之间形成其他频率。研究人员将这种方法与一种同步技术相结合，将频率线对齐成一个可用的频率梳。这解决了团队在 2024 年首次展示参数驱动腔孤子时出现的问题。
那次实验产生了多组重叠的频率线，令装置难以用于实际测量。双激光设计还使研究人员能够创建一个跨越八度的频率梳，这意味着其最高频率大约是最低频率的两倍。这一范围对于确定频率梳的零频率偏移至关重要，而这是一项进行精确频率测量所需的校准。
芯片的性能比较
研究人员将该芯片与传统的桌面频率梳进行了直接比较，使用相同的微波和光学源。在他们的测试范围内，该芯片生成的频率与大型系统的稳定性和噪声性能大致相当。团队还逆向转换，将光学光源的稳定性转换为微波信号。利用低噪声激光参考，该芯片产生了低噪声的微波，这一能力也可能对雷达及其他精密测量系统带来好处。重要的是，研究人员在不同演示中使用了同一芯片，仅改变连接的光源，而非为每个应用制作专门的微频率梳。
JQI 研究科学家 Grégory Moille 表示：“作为实验人员，这种新的光学频率梳简化了我们的许多工作，这一系统使得只需一位操作员便能处理每个应用。”
研究人员指出，以前基于芯片的频率梳实验可能需要几个人花费数周或数月才能获得实际结果。他们的实验室现在已将大部分微频率梳实验转移至 SParCS，并在过去一年中稳定了超過 10 倍于以前所有年份的微频率梳数量。该团队仍计划扩大频率范围，并研究这一方法是否最终能使用单一激光运行。该研究已发表于《自然》期刊。
新型芯片对频率测量的影响
新型光学频率梳芯片的出现，标志着频率测量技术的一次重大进步。透过 SParCS 方法，研究人员成功提升了频率梳的稳定性和准确性，使得便携式原子钟及导航系统的实现更具可行性。这种技术不仅简化了实验过程，还显著提高了实验效率，对于未来的精密测量系统如雷达等也具有潜在的应用价值。随着研究的深入，若能实现单一激光运行，将进一步推动该技术的普及和应用。