加州理工學院的研究人員採用超低損耗氮化矽，透過創新設計克服了色散難題，從而推動了頻率微蜂窩技術的發展。這項技術的發展可以將微蜂窩整合到緊湊型設備中，從而受益於具有成本效益的製造流程。

加州理工學院的 Kerry Vahala 及其合作者開發的頻率微蜂窩的藝術家概念圖。資料來源：Yuan, Bowers, Vahala, et al.

三年前，當我們最後一次採訪加州理工學院的凱瑞-瓦哈拉（Kerry Vahala）時，他的實驗室報告了一種名為”交鑰匙頻率微蜂窩”（turnkey frequency microcomb）的新型光學設備的開發情況，該設備可應用於數位通訊、精密計時、光譜學甚至天文學領域。

這種裝置是在矽晶片上製造的，它接收一個頻率的雷射輸入，然後將其轉換成一組均勻分佈的多種不同頻率的光，形成一連串脈衝，其長度可短至100 飛秒（四十億分之一秒）。 (名稱中的”梳子”（comb）就是因為這些頻率的間隔就像梳子的齒一樣）。

現在，加州理工學院資訊科學與技術和應用物理學泰德和金格-詹金斯（Ted and Ginger Jenkins）教授兼應用物理學和材料科學執行官瓦哈拉（Vahala，80 年學士，81 年碩士， 85 年博士）與他的研究小組成員以及加州大學聖塔芭芭拉分校約翰-鮑爾斯（John Bowers）研究小組的成員一起，在一種名為超低損耗氮化矽（ULL nitride）的在重要新材料（一種由矽和氮組成的化合物）中形成短脈衝的方式上取得了突破性進展。這種氮化矽的純度極高，並以薄膜形式沉積。

從原理上講，用這種材料製成的短脈衝微蜂窩器件只需很低的功率就能工作。遺憾的是，這種材料無法正常產生短光脈衝（稱為孤子），因為它具有一種稱為色散的特性，這種特性會導致光或其他電磁波根據其頻率以不同的速度傳播。 ULL 具有所謂的正常色散，這使得 ULL 氮化物波導無法支援微蜂窩操作所需的短脈衝。

克服光學限制

在發表於《自然-光子學》（Nature Photonics）的一篇論文中，研究人員討論了他們開發的新型微蜂窩，這種微蜂窩透過成對產生脈衝，克服了 ULL 氮化物固有的光學限制。這是一項重大進展，因為 ULL 氮化物的製造技術與電腦晶片的製造技術相同。這種製造技術意味著這些微蜂窩有朝一日可以整合到與智慧型手機類似的各種手持設備中。

普通微蜂窩的最大特點是有一個小的光環，看起來有點像一個小賽道。在運行過程中，孤子會自動形成並圍繞它循環。

“然而，當這個環由 ULL 氮化物製成時，色散會破壞孤子脈衝的穩定性，”共同作者、應用物理學研究生袁志權（21 年碩士）說。

把環路想像成賽車場。如果有些汽車行駛得更快，有些汽車行駛得更慢，那麼它們在環繞賽道時就會分散開來，而不是緊緊地擠在一起。同樣，ULL 的正常色散意味著光脈衝會在微蜂窩波導中散開，微蜂窩也會停止工作。

在這個動畫 gif 中，我們可以看到光脈衝（孤子）在相連的光軌中盤旋。資料來源：Yuan, Bowers, Vahala, et al.

研究小組設計的解決方案是創建多個賽道，將它們配對起來，使它們看起來有點像”8″字形。在”8″字形的中間，兩條賽道相互平行，中間只有很小的縫隙。

如果我們繼續用賽道來比喻，這就好比兩條賽道共用一條直道。當每條賽道上的車輛匯聚到共用路段時，就會遇到類似交通堵塞的情況。就像高速公路上兩條車道合而為一會迫使汽車減速一樣，兩個微蜂窩的連接段也會迫使成對的雷射脈衝聚集在一起。這種聚集抵消了脈衝分散的趨勢，使微蜂窩能夠正常運作。

當交通堵塞時，汽車在試圖併線時會聚在一起。凱瑞-瓦哈拉和其他研究人員開發的光學軌道也出現了類似的現象。這種扎堆現像是其設備運作的關鍵。資料來源：俄勒岡州運輸部

創新方法與未來展望

“實際上，這抵消了正常色散，使整個複合系統具有等效的反常色散，”研究生兼合著者高茂東（22 年碩士）說。

當增加更多的賽道時，這個想法就會得到延伸，研究小組已經展示了三個賽道如何透過創建兩組脈衝對來運作。瓦哈拉相信，即使有許多耦合賽道（微蜂窩），這種現像也能繼續工作，從而為孤子脈衝提供了一種創建大型光子電路陣列的方法。

新的微蜂窩裝置可作為一對相連的光軌工作，當更多的裝置組合在一起時也能工作。資料來源：Yuan, Bowers, Vahala, et al.

如上所述，這些 ULL 微蜂窩是用製造基於互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的電腦晶片的相同設備製造的。電子與電腦工程學教授鮑爾斯參與了這項研究，他指出：”CMOS 製程的製造可擴展性意味著，現在製造短脈衝微蜂窩並將其整合到現有技術和應用中將變得更加容易和經濟。 “

關於這些應用，瓦哈拉說：”梳子就像光學領域的瑞士軍刀。它有許多不同的功能，這就是為什麼它是如此強大的工具”。

編譯來源：ScitechDaily