激光光源是一種在科學與工業界具有強大應用潛力的工具，能夠覆蓋廣泛的頻率範圍。從半導體晶片的製造到先進的成像與光譜學，寬頻相干光具備了變革性的潛力。然而，直到現在，這類光源仍需要大型且耗能的桌面系統。這一情況或許即將改變。美國加州理工學院（Caltech）的一個團隊在電機工程及應用物理學教授 Alireza Marandi 的領導下，開發出一種基於芯片的設備，能以超高效率產生極為廣泛的激光光頻範圍。這種納米光子學設備可能加速通訊、精密測量甚至環境監測的進展。
這一突破的核心是一種光學參量振盪器（OPO），它是一個能夠利用非線性晶體將進來的激光光轉換為新頻率的共振腔。數十年來，OPO 一直是體積龐大且頻率範圍狹窄的系統。Marandi 團隊將他們的 OPO 進行了納米級的工程設計，結果是一個頻率梳，這是一系列均勻間隔的激光線，從可見光延伸到中紅外線。Marandi 表示：「我們展示了一個單一的納米光子設備，並在 femtojoule 範圍內使用低輸入能量，實際上可以覆蓋電磁頻譜的廣泛區域。這是從未實現過的。」
頻率梳在 2005 年獲得諾貝爾物理學獎，像光的尺規一樣，能夠實現超精確的測量。然而，由於其體積和有限的可調性，這種技術的廣泛應用一直受到阻礙。Marandi 補充道：「我們的工作提供了解決這兩個問題的途徑。」關鍵在於色散工程和精心設計的共振腔。這兩者的結合使得設備在保持相干性的同時，能夠在極低的能量閾值下擴大其頻譜。
Marandi 承認，這一表現出乎意料。他表示：「我們開啟設備並提高功率，當我們查看頻譜時，發現它極為寬廣。我們特別驚訝於超寬頻譜實際上是相干的。」這一發現與教科書中對 OPO 的描述相悖。經過數月的理論和模擬，最終揭示了一種新的運作範疇。與傳統的 OPO 不同，該設備即使在超過閾值的情況下也能重新獲得相干性。「由於這個 OPO 的閾值比以前的 OPO 低幾個數量級，而色散和共振腔的設計也與以往不同，我們得以觀察到這種驚人的頻譜擴展。」Marandi 解釋道。
這項研究可能使頻率梳技術從專門的實驗室轉向集成的光子設備。頻率梳技術的一個瓶頸是擴大頻譜所需的高能量。Caltech 的設計顯著降低了這一障礙。潛在的應用範圍涵蓋精密光譜學、原子鐘和分子感測。高效產生中紅外光的能力也可能為化學和環境分析開辟新的前沿。Marandi 表示：「這可能重塑基於頻率梳的技術如何從桌面設置過渡到芯片系統。」這項研究發表於《Nature Photonics》，受到美國陸軍研究辦公室、國家科學基金會（NSF）、國防高級研究計劃署（DARPA）以及美國國家航空航天局的噴氣推進實驗室（JPL）的支持。
