拓扑平台可提高频率梳理效率

频率尖峰之间明确的间距，使频率梳成为一种重要的光测量工具。就像尺子上均匀分布的线条提供了一种测量距离的方法一样，频梳上均匀分布的尖峰可以测量未知频率的光。片上光学频率梳的应用多种多样，但片上频率梳主要使用单环微谐振器，这会限制频率梳的频率范围和光功率。

近日，美国马里兰大学的一个研究小组开发出了一种产生光学频率梳的新方法，这种方法产生了一种嵌套的梳中梳，可为原子钟、测距仪、量子传感器和其他需要精确测量光的应用带来更小、更高效的频率梳。

研究人员开发出了一种基于氮化硅的芯片，上面有数百个微环。据研究人员称，该设备是世界上首个拓扑频率梳

嵌套式频率梳是基于拓扑平台，平台上有一个由耦合微谐振器环（即微镜）组成的二维阵列。来自梳状器的光被限制在阵列的边缘。该阵列具有线性色散的拓扑边缘态，可满足制造要求。

为了制造嵌套梳子，研究人员设计了一种芯片，上面有数百个以二维网格排列的微镜。研究小组设计了一种复杂的干涉模式，接收输入的激光，并使其在芯片边缘循环，同时芯片本身的材料将光线分成多种频率。

由于连续波激光会给芯片带来过多热量，研究人员使用了一种定制的脉冲激光来向梳状结构输送光线。他们发现，现成的脉冲激光器发出的脉冲太短，包含的频率太多，无法提供拓扑频率梳设计所需的边缘约束光。研究小组还经历了多次芯片迭代，才最终确定了能够支持拓扑频率梳的芯片设计。

图为关于嵌套拓扑频率梳的新实验示意图。在实验中，脉冲激光（泵浦激光）被送入芯片，而置于芯片上方的红外摄像机则捕捉芯片边缘环绕光的图像。研究小组使用频谱分析仪检测到循环光中的嵌套频率梳

单个微镜形成细胞，让光线从一个环跳到另一个环，也就是从一条路径跳到另一条路径。微镜的设计目的是在路径之间产生特定形式的干涉。总的来说，这些环将输入光分散到梳齿的许多齿上，并引导光沿着网格边缘流动。

单个微镜共同组成一个超级环。单个微环和超级环的存在，使梳状结构具有两种不同的时间和长度尺度，因为光绕超级环传播所需的时间要长于微环。

这种现象导致产生两个嵌套频率梳。微环产生的是粗梳，频率尖峰之间的间距很大。在每个间隔较粗的频率峰中，又嵌套着一个由超环产生的较细的梳状结构。这种嵌套的、梳中梳的结构，在需要精确测量相隔很远的两个不同频率的应用中，非常有用。

研究小组在芯片上方放置了一台红外摄像机，以捕捉围绕芯片边缘循环的光线图像。通过对边缘态进行抽运，研究人员生成了一个嵌套频率梳，显示出多个边缘态共振在大约40个纵向模式上的振荡，同时在空间上被限制在二维晶格边缘。研究人员对梳子的光频进行了高分辨率分析。通过光谱分析仪，他们检测到一个梳齿相对较宽的梳子，而在每个梳齿中还隐藏着一个较小的梳子。

虽然项目团队开发的嵌套梳子只是一个概念验证，其齿的间距并不均匀且噪音有点大，称不上纯净。但这种新设备最终可能会为量子传感、测距和计量带来更高效的频率梳子。这项工作还为研究小组提供了一个机会，在纳米光子平台上探索拓扑物理与非线性频梳产生之间的相互作用。

虽然嵌套光学频率梳的实验是在氮化硅制成的芯片上进行的，但研究人员认为，这种设计可以很容易地转化到其他光子材料上，从而产生不同频段的梳状结构。研究小组认为，芯片上的拓扑频率梳可以作为研究拓扑光子学的一个平台，特别是在一些应用中，在相对可预测的行为和更复杂的效应之间存在一个临界点，例如频率梳的产生。