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拓扑片上频率梳，效率高达50%！

光电汇OESHOW

2021-10-07

导读：可应用在自动驾驶汽车中的激光雷达以及紧凑型光学时钟等领域中

拓扑学原本是数学领域的一个分支，主要关注几何图形在连续变形后还能保持不变的一些整体性质，且拥有一些广为人知的案例，比如著名的哥尼斯堡七桥问题和四色问题等。而将拓扑这一数学概念运用到光学领域后，会为其系统带来一些新奇的特性，这些奇异的特性在光开关、光通讯以及计算机等领域有着巨大的应用前景。

正是在这一概念的背景下，美国马里兰大学联合量子研究所的Sunil Mittal等人设计了一种具有内置拓扑保护的微环阵列，并可用它来按需提供单光子和纠缠光子。另外，他们还发现这种拓扑系统可将片上频率梳的效率提高至50%以上，其相关研究内容已发表在Nature Physics 中。

片上拓扑频率梳示意图

（https://doi.org/10.1038/s41567-021-01302-3）

在结构设计之初，研究人员发现沿晶格外边缘的微环和中间的微环不同，耦合到晶格中的光大部分时间都沿着外边缘微环传播，且由于拓扑约束的性质，光也不会散射到中心，研究人员将这个外圈的微环称为超级环。

随后，为了使这种在超级环内部的脉冲形成频率梳的条件，研究人员对每个外环都进行了重新模拟和优化，其模拟结果发现通过设计可以使每个微环内的脉冲协同工作，且同步形成一个环绕整个边缘的整体脉冲，其中光学频率梳的频率间隔和单个频谱的带宽可通过调整微环和超级环的尺寸、间距进行控制。最终模拟结果表明，12×12大小的拓扑结构可以将单环频率梳的效率提高10倍左右，其总效率更是可达到50%以上。

目前，该团队正在对这种拓扑频率梳进行实验展示，并挑选出氮化硅作为微环的首选材料。其研究人员表示，未来可以将这种片上拓扑频率梳应用在自动驾驶汽车中的激光雷达以及紧凑型光学时钟等领域中。

本文由光电汇王越根据photonics内容编译，如需转载请注明。