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美国DARPA研发出精准便携光学频率合成器,展示前所未有光学频率控制能力
特斯拉 2018-04-28
导语

新一代光频控制技术将在光谱学、气体探测、激光雷达、便携式原子钟、大带宽和安全通信、入侵探测和其他领域大量应用。

美国国防先期研究计划局(DARPA)“直接在片数字光合成器”(DODOS)项目获得重大进展。研究人员将原有桌面大小的光学频率合成器减小到4个体积仅有5mm×10mm的芯片上,在推进芯片集成光电和非线性光学以减少光学频率合成器体积的研究上向前推进一大步。研究成果发布在《自然》杂志上。

图为DARPA给出的项目成果示意图

▍需求背景

仅仅在几十年前,要在无线电或电视上寻找某个特定频道时意味着需要手动操作旋钮。而现在,我们已可进行精确调整,仅仅通过按压按钮就可获得同样的效果。该便 利性来源于射频合成技术,能够从单个基准振荡器产生精确的信号频率。第二次世界大战中对更好雷达的需求驱动了射频控制技术的发展,随后持续数十年的小型化带来了大量军事和商业应用。精确便携的频率合成器随处可见,从GPS系统到智能手机和电视远程控制。

与射频控制技术获得长足发展不同,光电频率控制则仍然停留在落后的旋钮状态。激光器所发光的绝对频率很难精确控制,激光器频率往往漂移。“光梳”的发明获得了2005年诺贝尔奖,支持了首个光学频率合成器的展示。这些系统,与射频对照物类似,可按需产生特定波长的光,使其频率误差可以控制在10的-15次方量级。

▍项目提出

光学频率合成器已被证实在多个科学领域中极具价值,包括提高太空望远镜的观测精度,通过敏感激光谱检测化学物质,使用光实现高精度光探测和测距(LIDAR),甚至通过光学探测物理自然常数来支持理论的基础测试。

尽管光学频率合成器能提供前所未有的性能,但由于其组成器件的成本、尺寸和功耗要求,其使用被限制在实验室中。为了减少这些障碍,DARPA在2014年启动了DODOS项目,寻求为光频控制领域带来技术性颠覆,实现类似上世纪40年代微波频率控制领域所出现变革性创新,通过将频率控制扩展到光学领域,希望为下一代作战人员和其他能力拓宽技术基础。

▍项目目标

DODOS 项目目标是利用近年在芯片级锁模激光器和微静电谐振器领域取得的成就,以紧凑型集成封装的形式来实现自基准光梳;将最近在异质光电集成领域取得到的成就用于实现所有必需器件的单片集成,包括将广域可调节激光源、光学调制器、非线性光电器件、CMOS射频和控制电路,使总体积小于1cm3,总功耗小于1W,促进倍频程微梳、高效率芯片级激光器、高效率在片频率翻倍、与CMOS兼容集成技术领域的研究。DODOS芯片将扮演一个能够直接将射频信号的稳定性和精确性转到光学领域的工具箱,能够产生超过200THz频率的激光,相对精度达到1015

▍重大进展

研究人员将一对频率梳、几个小型激光器和其他紧凑型光电器件组合在一起,在四个微芯片(每个只有5毫米×10毫米)上复现了桌面尺寸的光学频率合成器的性能。合成器能够在32nm调谐,在平均一秒后提供7×10-13的频率稳定性,匹配输入基准时钟。

▍核心原理

研究人员利用半导体制造技术中的进展,通过将单光“泵浦”激光器所产生的激光在硅芯片上所制造的光学赛道上进行循环,制造出两个小型光梳,可制造很多额外的颜色,产生看起来像发梳的频率,每一个梳齿都是一个独立的频率,以此成为实现桌面大小光学频率合成器小型化的第一步。

两个光梳引导一个可编程激光器,组成一个频率合成器的输出。一个光梳由国家标准和技术研究所(NIST)研制,有更宽的梳齿,能够通过扩展一个八度来自我校准。加州理工学院团队制造了另一个光梳,梳齿更细,扩展范围也更窄一些。这些梳齿间的距离由稳定和精准的微波基准时钟来设置。两个光梳连接时,加州理工学院的光梳为输出激光器产生一个已知光频率网格用作基准或自身测量。在组合中,频率梳在微波钟和激光器频率间产生一个同步连接。

▍研究团队

研究由NIST牵头,承研方包括加州大学圣芭芭拉分校、加州理工学院。

▍下一步工作

DODOS项目已进入最终阶段,在该阶段中,项目参研方将尝试将独立的光电器件与电子器件集成,并制造出适用于未来军事和商业光电系统的紧凑封装的器件。

▍意义

DARPA DODOS项目主任Gordon Keeler说:“光学频率合成器的发展极大地提升了我们精确测量时间和空间的能力。但我们利用该技术的能力是受限的。通过DODOS项目,我们正在研发可将支持光学频率合成器更广阔部署,以及解锁大量应用。通过将实验室级能力缩小到方糖大小,来满足LIDAR、相干通信、化学感知和精密计量等领域。” 新一代光频控制技术将在光谱学、气体探测、激光雷达、便携式原子钟、大带宽和安全通信、入侵探测和其他领域大量应用。

文献链接:

Daryl T. Spencer, et al, "An optical-frequency synthesizer using integrated photonics," Nature, Pub Date : 2018-04-25, DOI:10.1038/s41586-018-0065-7

(本文来源:微信公众号大国重器;)

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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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