新的研究发现，一种新的超节能微型芯片激光器可以使强大的医疗传感器安装在手机中。

新设备是一种频率梳 - 一种特殊的激光器，可以产生多种波长的光，每个波长的光都以固定的频率间隔。在频谱图上，它看起来有点像梳子的牙齿。自首次开发以来的大约四分之一个世纪里，这些“光标尺”彻底改变了从计时到分子检测的多种高精度测量。此外，梳子的每一条线都可以隔离，并具有诸如其幅度调制等特性，以通过光纤传输数据。

然而，频率梳通常需要笨重、昂贵且耗电的设备。这在很大程度上限制了它们在实验室环境中的使用。

现在，斯坦福大学的科学家们采用了两种不同的方法来创建微芯片级频率梳。一种称为光学参量振荡的策略涉及在晶体内反射激光束，使光自身组织成相干、稳定的波脉冲。另一种方法称为相位调制，将激光送入腔体，然后应用射频信号来控制光的相位，产生用于梳子的频率重复。然而，这两种策略都有缺点，例如能源效率低下和调整光学参数的能力有限。

为了克服这些挑战，科学家们试验了一种称为薄膜铌酸锂的材料，与行业标准材料硅相比，它具有许多优势。其中两个特性包括各种波长的光如何穿过它，以及它如何允许不同波长的光束相互作用以产生新的波长。

这种新材料在单个腔内同时支持光学参量放大和相位调制。由此产生的“微梳”尺寸仅为 1 x 10 毫米。研究人员说，如此紧凑的尺寸表明它可以在手机或更小尺寸的个人设备中找到用途。他们补充说，它也可以很容易地在传统的微芯片工厂制造。

“这把梳子最令人惊讶的方面是它在带宽、频谱和效率方面的表现如何，”斯坦福大学应用物理学副教授Amir Safavi-Naeini说。

新的微梳没有像研究人员预期的那样产生光脉冲，而是出乎意料地产生了连续的输出。其他梳子在脉冲之间浪费功率。因此，科学家们可以将设备所需的输入功率降低大约一个数量级。

新设备将泵入腔体的光转换为梳子的效率超过93%。它可以在超过1 THz的频率上产生200条间隔约5.8 GHz的梳状线。事实证明，它通过简单地调整施加到它的无线电信号来高度可调。Safavi-Naeini说，所有这些特性使它“对于需要检测大范围频谱的芯片级传感器的新兴想法极具吸引力”。

此外，该装置产生了一个扁平的梳子，这意味着频率离中心较远的梳子线的强度不会减弱。这种扁平特性有助于提高精度，并使微梳可用于更广泛的测量应用。

科学家们指出，梳状线之间的间距可以达到50到100 GHz，并且该设备有可能在蓝光到中红外光下工作。这表明微梳可用于医疗诊断、光纤电信、激光雷达和光谱学等应用。

“我们最近开始研究非常轻、低成本、低功耗的温室气体检测应用，”Safavi-Naeini说。“生物传感等其他领域也非常有趣。

Safavi-Naeini说，在未来，科学家们希望提高设备的性能，并扩大其带宽和工作波长范围。

科学家们于3月6日在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。