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NIST团队证明了微型频率梳是可靠的测量工具

发布时间:2020-01-14 08:54人气:

图为NIST基于芯片的光学频率合成器试验台的综合照片。一个关键组件——NIST基于芯片的频率梳——安装在左下角的装置中。右边中部显示的是可编程合成器的样值输出——光学频谱。合成器组件可进一步集成到便于携带的包装中。 Credit: Burrus/NIST

美国国家标准与技术研究院(NIST)在多项测量技术的小型化方面处于领先地位,NIST科学家及其合作伙伴展示了第一种能够产生所需频率或颜色的微型化装置,这种装置的精确度足以溯源到国际测量标准。

研究人员将一对频率梳、一个可调谐微型激光器和电子器件组合起来,制成了一个光学频率合成器。这种先进技术将光学频率的编程能力从台式仪器转移到三块硅芯片上,同时保持了高准确度和高精确度。

就如无线电和微波芯片推动了电子革命一样,光学频率合成器的小型化使其便于携带且适合于大批量制造,将会促进计时、通信、微量气体监测和天文学等领域的发展。

关于这种原型合成器的论文已发表于《自然》杂志上。频率梳是NIST研发的一项荣获诺贝尔奖的技术,对最新的实验原子钟至关重要。

“在此之前没有人知道如何使用小小的芯片制作光学频率合成器,”来自NIST的合著者Scott Papp说。“这是证明你可以做到的第一次突破。到目前为止,还没有人使用芯片级别的频率梳来进行完全可以溯源到国际标准的计量。”



NIST的光学频率合成器的视频演示清楚地拼出了NIST的标志。每个圆是一个特定的频率测量。这个视频展示了控制激光输出来快速、准确地产生所需频率(垂直轴)的能力。横轴表示测量的实际时间。这个标志是在大约4分钟内写出来的,但这里的过程被压缩成10秒。

该项目由NIST在科罗拉多州博尔德的物理学家领导,其中一块梳状芯片由加州理工学院(位于加州帕萨迪纳市)制造,第二块梳状芯片由NIST纳米科学技术中心(位于马里兰州盖瑟斯堡市)制造。加州大学圣塔芭芭拉分校开发了一块可编程半导体激光芯片。

这三块芯片,每一块大约是5毫米×10毫米。随着材料和制造技术的进一步发展,这些芯片很可能会被NIST的某家合作机构封装在一起,Papp说道。

在一个全尺寸的台式频率梳上(通常由金属和玻璃部件手工组装),激光在一个光学腔(即一组专门的镜子)内循环,以产生一组看起来像发梳的等间距线,其中每根“齿”是一种单独的颜色。在基于芯片的版本中,这种光学腔是平坦的圆形跑道,是使用类似于制造计算机芯片的自动化技术在硅上制造而成的。

这种新型的光学合成器仅使用250毫瓦的片上光学功率,远远低于经典的全尺寸频率梳。

合成器的输出是可编程的激光,其光波振荡作为光学时钟滴答记录,可溯源到以铯原子的微波振动为基础的国际时间标准——SI(国际单位制)秒。输出激光由两个频率梳引导,提供微波和光学频率之间的同步连接。

每个梳子都是由单独的单色“泵浦”激光器发出的光产生的。NIST梳子的直径为40微米。这种梳子的齿缝之间有很宽的间隔,但可以通过跨越八度来进行自我校准——八度在音乐中是指两个音符之间的间隔,它们的频率是彼此的一半或两倍。此功能可校准合成器。

跑道是由氮化硅制成的定制波导,它提供了特殊的性能,可以扩大光谱线,将光集中在一小片区域以增强强度,可以通过改变几何形状来调整,可以像计算机芯片一样通过平版印刷技术来制造。

加州理工学院的梳子实际上更大,大约100倍宽,由熔融石英制成。但是这把梳子的齿要细得多,而且跨越的波长范围要窄得多——在用于电信的1550纳米波段,这是合成器演示的重点。梳齿之间的间隔是可以相对于SI秒进行测量和控制的微波频率。通过数字数学转换过程,这种细齿梳可在被校准的NIST梳更宽的间距内识别稳定、准确的光学频率。

因此,这两个梳子起着倍频器的作用,将时钟的滴答声记录从微波转换到光学领域,同时保持准确度和稳定性。

该研究小组对这个系统进行了验证,对电信波段的一系列光频率进行了合成,并使用来自同一时钟的独立频率梳来表征性能。研究人员展示了系统架构,验证了频率合成的准确性,并证实了合成器在时钟和梳状输出之间提供了稳定的同步。

这项研究的部分资金由美国国防高级研究计划局提供。这项研究也是“片上NIST”(NIST-on-a-Chip)计划广泛工作的一部分,该计划旨在使NIST测量和标准所需的仪器更便携、更具经济效益且更适合大规模生产。

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