美國國家標準與技術研究院(NIST)及其合作伙伴的科學家們展示了可以縮小許多測量技術的先進技術，他們展示了第一批能夠產(chǎn)生所需頻率或顏色的微型設備，其精確度可以追溯到國際測量標準。

研究人員將一對頻率梳，一個可調(diào)諧的迷你激光器和電子設備組合在一起，創(chuàng)造了一個光學頻率合成器。這項改進將光學頻率從桌面級儀器編程到三個硅芯片，同時保持高精度和高精度。

正如無線電和微波芯片為電子革命提供動力一樣，光頻合成器的小型化使其便攜并適合大批量制造，這將推動諸如計時，通信，痕量氣體監(jiān)測和天文學等領域。

原型合成器在4月25日在線發(fā)表的一篇論文“ 自然 ”雜志上有所描述。頻率梳是NIST開發(fā)的一種諾貝爾獎，它對最新的實驗原子鐘至關重要。

NIST的共同作者Scott Papp說：“沒有人知道如何使用小芯片制作光頻合成器。” “這是第一個突破，表明你可以做到這一點。到目前為止，還沒有人使用芯片級頻率梳來進行完全可追溯到國際標準的計量。”

該項目由位于科羅拉多州博爾德市的NIST物理學家領導，其中一個梳狀芯片由加州理工學院(加利福尼亞州帕薩迪納市的加州理工學院)制造，第二個梳狀芯片由NIST的納米科學與技術中心(位于馬里蘭州蓋瑟斯堡)制造。 。加州大學圣巴巴拉分校開發(fā)了一種可編程半導體激光器芯片。

三個芯片中的每一個約為5毫米×10毫米。Papp表示，隨著材料和制造方面的進一步發(fā)展，這些芯片可能會被NIST的合作機構之一包裝在一起。

在全尺寸桌面頻率梳子中 - 通常由金屬和玻璃組件手工組裝 - 激光在光學腔體內(nèi)循環(huán)，一組專用鏡子，產(chǎn)生一組看起來像發(fā)梳的等間距線條。每個“牙齒”是一種單獨的顏色。在基于芯片的版本中，腔體是扁平的圓形賽道，使用類似于制造計算機芯片的自動化技術在硅上制造。

新型光學合成器僅使用250毫瓦(千瓦時)的片上光功率 - 遠低于傳統(tǒng)的全尺寸頻率梳。

合成器輸出是可編程激光器，其光波振蕩用作可追溯到SI秒的光學時鐘滴答，SI秒是基于銫原子的微波振動的國際時間標準。輸出激光由兩個頻率梳引導，這兩個頻率梳提供微波和光頻之間的同步鏈路。

每個梳子都是由單獨的單色“泵”激光器發(fā)出的光產(chǎn)生的。NIST梳子直徑為40微米(百萬分之一米)。這種梳子在牙齒之間有很寬的間距，但是可以通過跨越八度音來校準自己 - 這在音樂中指的是兩個音符之間的間隔，它是彼此頻率的一半或兩倍。此功能可校準合成器。

賽道是由氮化硅制成的定制波導，它提供特殊的特性，可以擴大光譜范圍，將光線集中在一個小區(qū)域以提高強度，可以通過幾何形狀的變化進行調(diào)整，并且可以通過光刻制作成計算機芯片技術。

Caltech梳子體積更大，寬約100倍，由熔融石英制成。但這種梳子的牙齒更精細，跨度更窄 - 在用于電信的1550納米波段中，是合成器演示的重點。齒之間的間距是微波頻率，其可以相對于SI秒測量和控制。通過數(shù)字數(shù)學轉(zhuǎn)換過程，這種細齒梳在校準的NIST梳的較寬間距內(nèi)識別穩(wěn)定，準確的光頻率。

因此，兩個梳子用作倍頻器，以將時鐘節(jié)拍從微波轉(zhuǎn)換到光域，同時保持精度和穩(wěn)定性。

研究小組通過合成電信頻段中的一系列光頻率來演示該系統(tǒng)，并通過從同一時鐘得到的單獨頻率梳來表征性能。研究人員演示了系統(tǒng)架構，驗證了頻率合成的準確性，并確認合成器在時鐘和梳狀輸出之間提供穩(wěn)定的同步。