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近日，美国国防高级研究计划局（DARPA）“直接在片数字光合成器”（DODOS）项目再次取得显著进展。加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、加州理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所（EPFL）组成的DODOS研究团队开发出集成式孤子微纳芯片。研究成果发布在《自然》杂志上。 项目背景 光频率合成器--以精确和稳定的频率输出激光束的系统--已被证明在各种科学工作中极有价值，包括空间探索、气体传感、量子系统控制，以及高精度光探测和测距（LIDAR）。虽然它们提供了前所未有的性能，但由于其组件的成本、尺寸和功率限制，光频率合成器的使用基本上被限制在实验室环境中。为了减少这些障碍，实现广泛使用，DARPA于2014年启动了DODOS项目，关键是将必要的组件小型化，并将其集成到一个紧凑的模块中，从而使该技术得到更广泛的部署，同时解锁新应用。 研究目标 为了实现目标，DODOS项目正利用微谐振器（将光存储在微芯片中的微小结构）的最新进展，在紧凑型集成封装中实现光频梳。光频梳的名称来源于，将单一颜色的输入激光束转换为一连串均匀排列的多个颜色，就像一把梳子。如果有足够宽的梳“齿”阵列，消除噪声的创新技术就成为可能，使得光频梳成为需要精确频率参考的系统的一个有吸引力的选择。 研究基础 2018年，在DODOS项目的支持下，UCSB领导的团队与美国国家标准与技术研究所（NIST）成功实现了光频率合成器组件的小型化，为此次研究成果奠定了基础。关于此前的成果请移步于此。 面临挑战 直到最近，从微谐振器中制造光频梳是一件复杂的事情，需要复杂的控制方案、专用电路，并且通常需要一位专家科学家来仔细观察和精细调整操作。这主要是由于微谐振器的敏感特性，需要输入激光器在特殊工作频-或颜色提供完美光量，才能使光频梳开启，即使如此，也无法保证每次都能产生相干或稳定的光频梳状态。 研究成果 研究团队最新取得了一项研究成果完全改变了上述状况。通过将两个带有激光器和微谐振器的微芯片紧密连在一起，能够使这两个器件强烈地影响对方的运行。在这种简化的结构中，微谐振器提供反馈，将激光器调整到生成光频梳所需的适宜条件，并在特殊的“孤子”模式下工作，该模式具有光频率合成器所需的更宽的梳“齿”阵列。 技术优势 对未来的部署至关重要的是，在操作上也更加方便。由于系统设计上的精心选择，只要打开激光器，就能自动启动光频梳。设计的“交钥匙”操作，极大地简化了需要光频梳来实现特殊功能的系统。通过去除通常需要用在器件之间的专用电子和光学器件，简化的结构降低了规模、功率和成本要求，同时使光频梳对环境和温度干扰具有强大的稳定性。 自评 DARPA DODOS项目负责人Gordon Keeler博士说：“UCSB团队的成就可能会对商业和国防光子学应用产生广泛影响--从导航系统到光钟再到相干通信。这项工作使我们距离创造下一代光频率控制技术更近了一步，这种技术并不局限于实验室，而是可以用于现实世界。”
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