在过去的十年里，光学频率梳（OFCs）的应用在科学和工程的各个领域迅速发展，包括化学传感、计时、距离测距、寻找系外行星以及作为光通信中波长分复用的来源。虽然大多数演示最初是使用台式系统进行的，但基于芯片的非线性光子学的最新发展为实现高度紧凑、便携、坚固且完全集成的梳状器件提供了路径，这些因素可以使梳状器件在更多的环境中广泛使用。对于光谱学和时间频率计量学中的许多应用来说，需要梳状带宽是非常宽的，只有通过非线性光学相互作用才能实现，这种相互作用产生的新的光学频率范围远远超过在初始激光场中的激光束入射到非线性介质上的频率范围。能产生如此宽光谱的两个最显著的例子是光波导中的超连续谱产生（SCG）和微谐振器中的克尔梳产生（KCG）。

图1：基于芯片的频率梳生成。左图：SCG通过将一系列超短脉冲注入具有横截面色散的波导中用于产生具有由脉冲重复率的倒数确定间距的宽光学频率梳。右图：KCG是通过一个微谐振器的单频激光器进行泵浦，该激光器的色散设计为产生一个具有由微谐振器的FSR给出的梳状间距的宽光谱

在SCG中，泵浦场由锁模激光器产生的一系列超短脉冲组成，而锁模激光器本身就是一个频率梳。然后，脉冲通过波导并经历三阶非线性相互作用，其中频谱通过参数化四波混频（FWM）过程进行扩展（图1，左图）。在KCG过程中（图1，右图），一个被动微谐振器被一个单频连续波激光器抽运到一个腔模附近，该激光器在其他腔模下通过FWM产生增益，并具有足够强的非线性和适当的色散，产生一个由微谐振器的自由光谱范围（FSR）确定间距的频率梳。与基于光纤的平台相比，基于芯片的平台为执行SCG和KCG提供了几个关键功能，其中包括高效非线性和在广泛的泵浦波长范围内执行强色散工程的能力，这有利于在极宽的带宽内对参数过程进行相位匹配。

基于芯片的非线性光子学的最新发展为实现许多应用提供了诱人的前景，这些应用可以使用形状小于1 立方厘米且功率小于1 W的光学频率梳器件。这些愿景已经实现，这种梳状器件可以高度紧凑、便携式和低功耗运行，包括演示一种集成梳状发生器，它只需要不到100毫瓦的电力，并且可以使用AAA电池运行（图2a、b）。科学家们期望在完全集成光电子和片上控制电子器件方面取得快速进展。利用波导SCG器件实现全集成锁模泵浦激光器已被证明具有挑战性，因为在用电泵浦的亚皮秒激光脉冲产生基于芯片的锁模激光器方面存在困难。然而，最近的研究表明，这种源将在不太遥远的将来实现，并可以允许八度跨度的梳状谱与梳状间距，可以以电子方式被检测到。总的来说，在未来的十年里，预计这些芯片梳技术将在更复杂的环境中得到广泛的应用，包括化学传感、激光雷达、电信、光子频率合成、时间计量、天文学、生物成像以及微波合成和产生等领域。相关内容以《Photonic-chip-based frequency combs》为题，以综述的形式发表在《Nature Photonics》杂志上。

图2 集成频率梳源和潜在的实现。a，全集成的梳状光源的照片。反射半导体光放大器（RSOA）是边缘耦合到Si3N4芯片，通过引线键提供电流，同时使用光纤测量梳状输出。b，在使用AAA电池时产生梳子。插图显示了代表低噪声锁模梳的射频频谱。c，艺术家基于最近离散双梳光谱演示的双梳光谱仪的概念，显示了悬浮在液体中的分子光谱。部件颜色编码：Si3N4波导（红线）、用于热控制的双平行电痕（显示为单金线）、激光源（黑色）、探测器（棕色）、环路控制电子设备（金色）和读出处理电子设备（蓝色）。双梳状谱仪包括孤子锁环和谐振器的热控制。注意，孤子脉冲（白色）出现在谐振器中。d，基于SCG的集成光学原子钟原理图。采用集成锁模激光器对Si3N4螺旋波导进行泵浦，实现f-2f干涉测量和fCEO检测的同步二次谐波产生（SHG）和SCG。SCG输出的一部分被过滤，并与时钟激光器混合，时钟激光器稳定到原子跃迁，以稳定梳间距。fb是时钟激光器与最近的梳状线之间的拍频，fCEO是锁模激光器的载波包络偏移频率。

来源： Nature Photonics

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