歐洲科學(xué)家利用微諧振器打造全球最小光學(xué)頻率梳

圖為微諧振器頻率梳系統(tǒng)

（圖片來源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Arslan Raja）

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，光學(xué)頻率梳（optical frequency combs，OFC）是一種激光光源，其頻譜由一系列分立、均勻間隔的梳狀頻譜線組成，可用于精確測(cè)量。在過去的二十年中，它們已成為精密測(cè)距、光譜學(xué)和通訊等應(yīng)用領(lǐng)域的主要工具。

大多數(shù)基于鎖模激光器（mode－lock lasers，即通過調(diào)制使激光振蕩不同頻率各縱模之間有確定的相位關(guān)系，以獲得窄脈寬、高峰值功率的超短脈沖激光）的商用光學(xué)頻率梳驅(qū)動(dòng)源體積大且價(jià)格昂貴，這些特征限制了它們?cè)诖笕萘考氨銛y等應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?。雖然早在2007年就首次出現(xiàn)了使用微諧振器的芯片級(jí)光學(xué)頻率梳，但是由于材料損耗高且激發(fā)機(jī)制復(fù)雜，完全集成的形式受到了阻礙。

由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Tobias J． Kippenberg和俄羅斯量子中心（Russian Quantum Center）的Michael L． Gorodetsky共同領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，目前已利用芯片級(jí)磷化銦激光二極管和氮化硅（Si3N4）微諧振器，建立了以88 GHz重復(fù)頻率驅(qū)動(dòng)的集成孤子微梳（integrated soliton microcomb）。該器件體積僅為1立方厘米，是迄今為止同類裝置中尺寸最小的。

氮化硅（Si3N4）微諧振器是利用獲得專利的光子大馬士革回流焊接工藝制造的，該工藝在集成光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)了前所未有的低損耗。這些超低損耗波導(dǎo)彌補(bǔ)了芯片級(jí)激光二極管與激發(fā)耗散克爾孤子態(tài)所需的功率級(jí)之間的差距，而這正是產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的基礎(chǔ)。

該方法使用商用芯片級(jí)磷化銦激光器，代替了傳統(tǒng)的大型激光模組。在研究中，由于微諧振器的固有散射，小部分激光會(huì)被反射回激光器。這種直接反射有助于穩(wěn)定激光器并產(chǎn)生孤子梳。這表明，諧振腔和激光器可集成在單個(gè)芯片上，相比以往的技術(shù)有了獨(dú)特的改進(jìn)。

Kippenberg解釋道：“人們對(duì)這種光學(xué)頻率梳驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生了濃厚的興趣，這種梳驅(qū)動(dòng)源是光電驅(qū)動(dòng)的且能夠通過光電學(xué)完全集成來滿足新一代應(yīng)用的需求，特別適用于激光雷達(dá)（LiDAR）和數(shù)據(jù)中心的信息處理。這不僅代表了耗散克爾孤子領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，而且還隨著腔體的快速反饋提供了深入了解其非線性動(dòng)力學(xué)的契機(jī)。”

整個(gè)系統(tǒng)體積小于1立方厘米，且可實(shí)現(xiàn)電氣控制。該研究第一作者、博士生Arslan Sajid解釋道：“這種微梳系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)整、成本低且重復(fù)操作率低等特征，適于大規(guī)模制造應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是光反饋速度快，無需有源電子或任何其他片上調(diào)諧機(jī)制?！?br />
科學(xué)家們?nèi)缃竦哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)集成型光譜儀和多波長(zhǎng)光源，并進(jìn)一步改進(jìn)在微波重復(fù)頻率工作的微梳的制造工藝和集成方法。