光頻梳是一種相干光源，由許多高度相干的單頻激光線組成，在頻域上等間距。作為一種測(cè)量光的重要設(shè)備，其發(fā)展給計(jì)量學(xué)、光譜學(xué)和原子鐘等許多領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。近年來(lái)，業(yè)界對(duì)在片上非線性微諧振器中產(chǎn)生鎖相光學(xué)頻率梳產(chǎn)生了濃厚的興趣。盡管取得了這一巨大進(jìn)步，但微頻梳的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

　　首先，由于器件本身的非線性，很難觸發(fā)梳狀鎖模。自啟動(dòng)操作被證明可以解決這一問(wèn)題。然而，它們的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的系統(tǒng)預(yù)配置和對(duì)特定非線性動(dòng)態(tài)的仔細(xì)平衡，這在大多數(shù)實(shí)際器件中很難應(yīng)用。其次，由于孤子脈沖引起的泵激光腔頻率失諧，孤子微蜂窩產(chǎn)生的功率效率較低。雖然脈沖泵浦或輔助諧振子增強(qiáng)可以提高生成效率，但它們需要在時(shí)間或諧振頻率上進(jìn)行微妙的同步，而且孤子初始化的難度依然存在。

　　第三，由于梳狀發(fā)生器是單片的，制作完成后很難改變，因此梳狀發(fā)生器的可控性受到限制。壓電效應(yīng)可用于使梳狀諧振器變形，但由于其機(jī)械響應(yīng)速度較慢，因此調(diào)諧速度和效率有限。迄今為止，大多數(shù)梳狀發(fā)生器仍需依靠外部激光控制，來(lái)調(diào)整微梳狀狀態(tài)。

　　什么是微頻梳？

　　光頻梳產(chǎn)生的光譜由多束相干光組成，每束光的頻率或顏色不同，間距均勻。由此產(chǎn)生的形狀類(lèi)似于梳齒。近年來(lái)，科學(xué)家們一直在努力創(chuàng)造這種技術(shù)的微型版本，即微型梳齒，可以安裝在小型芯片上。

　　不過(guò)，雖然科學(xué)家們?cè)谖㈩l梳原型制作方面取得了進(jìn)展，但他們?cè)谏a(chǎn)可應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備的可行版本方面卻收效甚微。其中的障礙包括功率效率低、可控性有限、機(jī)械反應(yīng)慢以及需要復(fù)雜的系統(tǒng)預(yù)配置。

　　研究方法

　　發(fā)表于《自然通訊》上的一項(xiàng)研究表明，羅切斯特大學(xué)的研究人員介紹了他們開(kāi)發(fā)的新型微梳狀激光器。這種激光器克服了以前的限制，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以為廣泛的用途打開(kāi)大門(mén)。研究人員提出了一種與眾不同的方法，在單一設(shè)備中解決這些難題。

　　圖1a顯示了設(shè)備概念。傳統(tǒng)方法僅僅依靠單一機(jī)制——光學(xué)克爾效應(yīng)或電光效應(yīng)——來(lái)產(chǎn)生梳狀信號(hào)，而研究人員則利用諧振增強(qiáng)的電光（EO）調(diào)制來(lái)啟動(dòng)梳狀信號(hào)的產(chǎn)生，利用諧振增強(qiáng)的光學(xué)克爾效應(yīng)來(lái)擴(kuò)大梳狀信號(hào)的帶寬和鎖定梳狀信號(hào)線的相位，并利用嵌入式 III-V 光學(xué)增益來(lái)維持和穩(wěn)定梳狀信號(hào)的運(yùn)行。此外，由此產(chǎn)生的相干微波（通過(guò)光學(xué)檢測(cè)）被反饋回環(huán)氧乙烷梳狀器，以進(jìn)一步增強(qiáng)模式鎖定，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的自維持梳狀器運(yùn)行。

　　研究人員通過(guò)將III-V 增益元件與薄膜鈮酸鋰（LN）光子集成電路（PIC）相集成，制造出III-V/LN 組合激光器（圖1b），從而實(shí)現(xiàn)了這一方法。鈮酸鋰光子集成電路最近在高速調(diào)制、頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)頻率梳和單頻激光器等各種應(yīng)用中引起了極大的興趣。

　　這里，將有源環(huán)氧乙烷調(diào)制與無(wú)源四波混頻（FWM）結(jié)合在一個(gè)經(jīng)過(guò)色散工程設(shè)計(jì)的高Q 值激光腔中，按需產(chǎn)生鎖模孤子微蜂窩，只需打開(kāi)/ 關(guān)閉驅(qū)動(dòng)梳狀諧振器的射頻信號(hào)或驅(qū)動(dòng)增益元件的電流，就能自然而然地實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)全套操作。由于梳狀模式直接從材料增益中提取能量，因此從III-V增益介質(zhì)中獲得的所有光功率都完全用于產(chǎn)生梳狀，這與傳統(tǒng)的微梳狀不同。在傳統(tǒng)微梳狀中，大部分光功率都留在泵浦波中。

　　此外，LN腔的強(qiáng)電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)梳狀頻率的高速可調(diào)，以及梳狀頻譜和模式間距的電光可重構(gòu)。利用這種方法，能夠制造出寬帶高相干性微頻梳，單個(gè)頻梳線寬低至600Hz，整個(gè)微頻梳的頻率可調(diào)諧性超過(guò)2.4×1017Hz/s，在500 kHz頻率偏移時(shí)，微波相位噪聲低至-115dBc/Hz，壁塞效率超過(guò)5.6%。

　　研究團(tuán)隊(duì)所展示的方法簡(jiǎn)單，為按需生成鎖相微頻梳開(kāi)辟了一條新路，這些鎖相微梳子提供的卓越相干性帶來(lái)了各種重要應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信、光譜傳感、光學(xué)計(jì)算、測(cè)距、光學(xué)和微波頻率合成，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年還會(huì)有更多其他應(yīng)用。

　　羅切斯特大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授、光學(xué)研究所教授Qiang Lin 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種獨(dú)特的方法，用單一設(shè)備解決了這些難題。據(jù)Qiang Lin 實(shí)驗(yàn)室的電子與計(jì)算機(jī)工程博士生、論文第一作者Jingwei Ling 介紹，以往的方法通常依賴(lài)于將單波長(zhǎng)激光注入非線性轉(zhuǎn)換器，而非線性轉(zhuǎn)換器可以將單波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成多波長(zhǎng)，形成光梳。

　　Ling 說(shuō)：“我們?nèi)∠藛尾ㄩL(zhǎng)，因?yàn)檫@會(huì)降低系統(tǒng)的效率。取而代之的是，在系統(tǒng)內(nèi)部的反饋環(huán)路中放大了所有梳狀光本身，因此所有波長(zhǎng)都在一個(gè)元件內(nèi)得到反射和增強(qiáng)。”這種“一體化”微頻梳激光器操作簡(jiǎn)單，因此功率需求低、成本低、可調(diào)諧性高，而且是交鑰匙工程。“它易于操作，”論文共同作者Zhengdong Gao 說(shuō)，“以前的方法很難激發(fā)梳狀體，但有了這種方法，只需要打開(kāi)電源，就可以直接控制梳狀體。”

　　實(shí)現(xiàn)這些微頻梳激光器仍然存在障礙，特別是在開(kāi)發(fā)制造技術(shù)以在制造所需的公差范圍內(nèi)制造這種微小元件方面。不過(guò)，研究人員希望他們的設(shè)備能用于電信系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）等應(yīng)用。

　　對(duì)研究的討論

　　目前的設(shè)備所能達(dá)到的微頻梳頻譜或孤子脈沖寬度，主要受限于腔內(nèi)的可用光功率以及增強(qiáng)諧振器和主激光腔之間的群延遲失配。對(duì)于前者，可以通過(guò)降低損耗或增加激光腔內(nèi)的光增益來(lái)改善。對(duì)于后者，理論建模表明，要形成理想超短孤子脈沖，主激光腔的往返時(shí)間必須是增強(qiáng)型賽道諧振器的整數(shù)倍。然而在目前的設(shè)備中，存在一定程度的不匹配，從而限制了梳狀頻譜和模式振蕩射頻音的相干性。

　　這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化主激光腔的往返長(zhǎng)度來(lái)解決。例如通過(guò)異質(zhì)集成，主激光腔的往返長(zhǎng)度可以由制造工藝精確定義。還可以通過(guò)在外部激光腔中引入一定的群延遲調(diào)諧元件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)這些優(yōu)化措施，有望制造出超寬帶高相干孤子微頻梳。

　　通過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，介紹了一種芯片級(jí)微頻梳激光器，這種激光器可通過(guò)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)或被動(dòng)反饋方法靈活鎖模，并能以超快的速度進(jìn)行調(diào)諧/ 重新配置，內(nèi)置了強(qiáng)大的交鑰匙操作功能。所展示的集成梳狀激光器具有顯著的可重新配置性，性能大大超出了傳統(tǒng)的片上模式鎖定半導(dǎo)體激光器。

　　所展示的設(shè)備將集成激光器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性、模式鎖定操作的穩(wěn)健性以及電光增強(qiáng)的可調(diào)諧性和可控性完美地結(jié)合在一起，為按需生成具有高功率效率的孤子微光束開(kāi)辟了一條新途徑，研究人員認(rèn)為，這將為包括測(cè)距、通信、光學(xué)和微波合成、傳感、計(jì)量等在內(nèi)的廣泛應(yīng)用帶來(lái)巨大前景。

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