- 新型光學頻率梳晶片可執行多項測量任務，推進便攜式原子鐘及導航系統。
- SParCS方法結合兩個不同頻率的鐳射，解決了頻率梳的穩定性問題。
- 該晶片在穩定性和噪聲性能上與大型桌面系統相當，具備廣泛應用潛力。
- 研究團隊計劃擴大頻率範圍，探索單一鐳射運行的可能性。
研究人員展示了一種基於晶片的光學頻率梳，其在關鍵測試中與大型桌面系統相媲美，同時允許單一裝置執行多項測量任務，這是朝向便攜式原子鐘及無需 GPS 的導航系統邁出的重要一步。該裝置採用了名為自對齊參數驅動腔孤子（SParCS）的新方法。光學頻率梳產出一系列精確間隔的光頻，形成一把科學家用於測量光學頻率並將其連接到電子信號的標尺。來自聯合量子研究所（JQI）、國家標準與技術研究所（NIST）及國際合作夥伴的研究人員，通過將微波信號（每秒震盪數十億次）與以每秒數百兆次運行的光學光源連接，對晶片進行了測試。
在一項原子鐘測試中，該晶片將極其穩定的光學參考轉換為傳統電子設備可以讀取的微波信號。它測量的原始光學頻率以每秒數百兆次的震盪，與預期的原子值相差約 100,000 次震盪每秒。
SParCS方法的創新
傳統的晶片級頻率梳通常將一個鐳射注入一個微型環形共振腔。結果產生的頻率梳延伸至兩側的頻率，但外圍的“牙齒”可能變得較弱且不夠明確，需要額外設備來放大和穩定它們。SParCS 則使用兩個不同頻率的鐳射作為頻率梳的邊緣或“書檔”。在它們之間形成其他頻率。研究人員將這種方法與一種同步技術相結合，將頻率線對齊成一個可用的頻率梳。這解決了團隊在 2024 年首次展示參數驅動腔孤子時出現的問題。
那次實驗產生了多組重疊的頻率線，令裝置難以用於實際測量。兩鐳射設計還使研究人員能夠創建一個跨越八度的頻率梳，這意味著其最高頻率大約是最低頻率的兩倍。這一範圍對於確定頻率梳的零頻率偏移至關重要，而這是一項進行精確頻率測量所需的校準。
晶片的性能比較
研究人員將該晶片與傳統的桌面頻率梳進行了直接比較，使用相同的微波和光學源。在他們的測試範圍內，該晶片生成的頻率與大型系統的穩定性和噪聲性能大致相當。團隊還逆向轉換，將光學光源的穩定性轉換為微波信號。利用低噪聲鐳射參考，該晶片產生了低噪聲的微波，這一能力也可能對雷達及其他精密測量系統帶來好處。重要的是，研究人員在不同演示中使用了同一晶片，僅改變連接的光源，而非為每個應用製作專門的微頻率梳。
JQI 研究科學家 Grégory Moille 表示：「作為實驗人員，這種新的光學頻率梳簡化了我們的許多工作，這一系統使得只需一位操作員便能處理每個應用。」
研究人員指出，以前基於晶片的頻率梳實驗可能需要幾個人花費數週或數月才能獲得實際結果。他們的實驗室現在已將大部分微頻率梳實驗轉移至 SParCS，並在過去一年中穩定了超過 10 倍於以前所有年份的微頻率梳數量。該團隊仍計劃擴大頻率範圍，並研究這一方法是否最終能使用單一鐳射運行。該研究已發表於《自然》期刊。
新型晶片對頻率測量的影響
新型光學頻率梳晶片的出現，標誌著頻率測量技術的一次重大進步。透過SParCS方法，研究人員成功提升了頻率梳的穩定性和準確性，使得便攜式原子鐘及導航系統的實現更具可行性。這種技術不僅簡化了實驗過程，還顯著提高了實驗效率，對於未來的精密測量系統如雷達等也具有潛在的應用價值。隨著研究的深入，若能實現單一鐳射運行，將進一步推動該技術的普及和應用。