光梳正在从电信到天体物理学的光学领域掀起一场革命，但其复杂性却是一个障碍。

钽酸锂技术的最新进展已经改变了游戏规则，创造出了效率高、带宽大的紧凑型用户友好型梳状发生器。这一突破性进展可能会重塑机器人技术和环境监测等领域，带来激动人心的新可能。

现代光学中的频率梳

在现代光学中，频率梳是测量光的高精度必备工具。它们推动了电信、环境监测和天体物理学等领域的重大进步。然而，制造出紧凑高效的频率梳长期以来一直是个挑战——直到现在。

1993年首次提出的电光频率梳在利用级联相位调制产生光梳方面显示出巨大潜力。尽管前景广阔，但由于功率要求高和带宽有限，其进展陷入停滞。因此，该领域转向飞秒激光器和克尔孤子微梳。虽然这些技术有效，但调谐过程复杂且功率要求高，导致它们并不适用于广泛推广。

近年来，薄膜电光集成光子电路的发展再次激发了人们对电光梳状滤波器的兴趣，特别是铌酸锂等材料的应用。然而，在扩大带宽的同时降低功耗，仍然是一大障碍。此外，铌酸锂固有的双折射特性（即其使光束分裂的趋势）对可实现的带宽构成了根本性限制，阻碍了进一步的进展。

钽酸锂技术取得突破

洛桑联邦理工学院 (EPFL)、科罗拉多矿业学院和中国科学院的科学家们，通过在新开发的钽酸锂平台上结合微波和光路设计，现已攻克了这一难题。与铌酸锂相比，钽酸锂的本征双折射要低 17 倍。在以托比亚斯·J·基彭贝格 (Tobias J. Kippenberg) 教授为首的带领下，研究人员开发出了一种电光频率梳发生器，实现了前所未有的 450 纳米光谱覆盖范围，包含 2000 多条梳状线。这一突破性进展拓宽了器件的带宽，并且与以往的设计相比，微波功率要求降低了近 20 倍。

该团队引入了一种“集成三重共振”架构，其中三个相互作用场（两个光学场和一个微波场）和谐共振。这是通过使用一种新型协同设计系统实现的，该系统将单片微波电路与光子元件集成在一起。通过在钽酸锂光子集成电路上嵌入分布式共面波导谐振器，该团队显著提高了微波的约束和能量效率。

紧凑的设计，提高效率

该器件结构紧凑，尺寸不超过1×1平方厘米，这是利用了钽酸锂较低的双折射特性才得以实现。这最大限度地减少了光波之间的干扰，从而实现平滑且一致的频率梳生成。此外，该器件采用简单、自运行的分布反馈式激光器二极管运行，比克尔孤子器件更加便于用户使用。

新型梳状发生器的超宽带跨度达到450纳米，突破了当前电光频率梳技术的极限。它在90%的自由光谱范围内稳定工作，从而实现了这一跨度，省去了复杂的调谐机制。这种稳定性和简洁性为实际可行的现场部署应用打开了大门。

光子学及其未来影响

这一新设备将在光子学领域带来范式转变。凭借其坚固耐用的设计和紧凑的体积，该设备将对机器人技术（其中精确激光测距至关重要）和环境监测（其中精确气体传感必不可少）等领域产生影响。此外，这种协同设计方法的成功凸显了微波和光子工程在下一代设备中进行集成的巨大潜力，而这一点尚未得到充分利用。

参考文献：《2025年1月22日发表于〈自然〉期刊的，由张俊寅、王成利、康纳·丹尼、约翰内斯·里门斯贝格、格里高利·利哈切夫、胡建琦、威尔·考、特伦斯·布莱辛、尼古拉·库兹涅佐夫、李子涵、米哈伊尔·丘拉耶夫、欧欣、加布里埃尔·桑塔玛丽亚-博特略和托比亚斯·J·基彭贝格合著的“钽酸锂中超宽带集成电光频率梳”》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41586-024-08354-4。

所有样品均在洛桑联邦理工学院微纳米技术中心（CMi）和物理研究所（IPHYS）的无尘室中制造。LTOI晶片在上海新硅集成技术有限公司（NSIT）和中国科学院上海微系统与信息技术研究所制造。