Nature：集成启钥孤子微梳

来源：两江科技评论

导读

近日，由美国加州理工学院（Caltech）,加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）以及瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）组成的研究团队，在芯片级光频梳的集成化上取得了重大突破，创造性地解决了这一困扰集成光学界多年的问题，相关成果以“Integrated turnkey soliton microcombs”在线发表于6月18日的《自然》（Nature）杂志上。

光学频率梳（简称光频梳）的光谱是由一系列离散的、等频率间距的相干激光组成的。它就像一把精密测量光频率的标尺，广泛应用于计时、测距、微波合成和光谱学等重要领域中。Theodor W. Hänsch 和John L. Hall正是因为对光频梳技术的开创性工作获得了2005年的诺贝尔物理学奖。传统的光频梳是由桌面级锁模激光器产生的，其构造复杂、造价不菲，对使用环境的要求非常高。因此，在集成光电子平台上构筑体积小、能耗低的芯片级光频梳成为了过去十年里最为前沿和热门的研究方向之一。

图 1光学频率梳的发展趋势

研究背景

与基于传统的锁模激光器的光频梳不同，孤子微梳（Soliton Microcomb）是一种在高品质光学微腔中利用非线性光学手段产生的光频梳。在连续光的泵浦下，微腔内会发生参量震荡，从而产生一系列的光学边带。当微腔的反常色散特性与腔体材料的克尔非线性达到微妙的平衡时，这些光学边带的相位就会相互锁定，从而产生一种特殊的光脉冲——光孤子。从微腔中周期性耦合到波导的孤子脉冲在频率域上就形成了一种光学频率梳，我们称之为孤子微梳。目前，孤子微梳已经在基于氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、砷化铝镓等不同材料平台的集成光学微腔中实现。借助于半导体CMOS工艺，基于光子芯片的孤子微梳正成为一项核心技术，并在精密光谱测量、寻找地外行星、光钟、光学频率合成器、大容量光通讯以及激光雷达等领域有着巨大的应用前景。

然而，尽管在学术研究层面孤子微梳的研究取得了一系列重大的进展，现有的技术与工业化及日常应用之间仍然存在着巨大的鸿沟。例如，孤子微梳的运行依赖于桌面级激光器和大量昂贵的辅助设备以及复杂的控制系统，在占据了大量的实验室空间的同时也增加了功耗与成本。孤子微梳系统的小型化和集成化，一直是光频梳领域最为核心的问题之一。

创新研究

在此工作中，研究者们构筑了与光源集成的孤子微梳并首次证明了“启钥”运行(Integrated turnkey soliton microcomb)。所谓"启钥"（turnkey），就是该孤子微梳系统无需繁复的启动步骤，只需打开激光器的开关，就能自动寻找锁模状态并保持稳定运行。区别于以往复杂的激光频率快速扫频和双激光补偿方式，启钥作为一种全新的孤子微梳产生方式，具有极高的稳定性、可重复性，且无需外界反馈控制，是未来集成光梳芯片的理想操作模式。

图2启钥孤子微梳。（a）结构图 （b）低损耗氮化硅微腔的Q值测量 （c）激光器的频率噪声比较 （d）集成封装的孤子微梳

在实验中，研究者将超低损耗的氮化硅微腔芯片与商用的分布式反馈(DFB)激光器芯片直接封装对接耦合来产生孤子微梳。与传统的激发方式相比，本工作去掉了激光器后的光隔离模块，从而使得微腔内背向散射的激光重新回到激光器里。在自注入锁定（self-injection locking）机制的影响下，激光器的频率会牢牢地锁定在微腔的谐振频率上。不仅如此，考虑到微腔的非线性效应，整个系统产生了唯一的特殊稳定点，无论初始条件如何变化，系统都可以自发地演化到全新的运行点上产生孤子微梳。实验表明该系统相当稳定，受外界环境的影响很小，且封装后的系统在几个月后仍然能保持可靠的启钥运行。而去掉了光学隔离器后的激光器与光学微腔组成一个拥有超高品质因子的激光系统，在自注入锁定反馈机制的作用下激光器的噪声降低了30dB以上，超越了目前最好的硅基集成激光器。

图3 不同重复频率孤子微梳的光谱

本工作将孤子微梳的研究扩展到了激光器与光学微腔的复合系统中。启钥式的孤子微梳的激发既不需要极其耗能的电子控制电路，也不需要难以集成的光学隔离器。基于这些优势以及孤子微梳系统的简化，该工作对于光学频率梳的单片集成以及工业化大量生产与应用具有划时代的意义。这是光频梳技术从实验室迈向日常生活中实际应用的奠基性的一步。

总 结

集成启钥孤子微梳这一突破的实现，得益于近年来引领整个集成光学界发展方向的几个团队间的紧密合作。特别值得一提的是，来自中国的青年研究学者们在其中扮演着重要的角色。加州理工学院Kerry Vahala教授的团队，一直以来是高品质因数谐振腔的理论与实验上的先驱。组内成员沈博强，王贺明和杨起帆（均为北京大学物理学院校友），在实验上首次发现起钥微梳的同时，用简洁却深刻的理论完美解释了这一崭新的物理现象。加州大学圣芭芭拉分校John Bowers教授的团队，则是硅光行业的奠基者，一直是实现最先进半导体技术工业化的中心。组内成员常林，在完成了半导体激光器与微腔芯片的直接耦合之后，进一步实现了整个系统的集成封装，迈出了连接这一学术成果与业界的关键一步。而瑞士洛桑联邦理工学院的Tobias Kippenberg教授的团队，一直是引领着光频梳微腔技术的核心力量，由其成员刘骏秋所研发的氮化硅光子大马士革工艺制备工艺，代表着氮化硅微腔的最高水平，并成为了此次突破的关键因素。