2023 年的諾貝爾化學(xué)獎被授予三位研究量子點的科學(xué)家。而在前不久，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士后董伯彰和所在團隊，恰好發(fā)表了一篇關(guān)于量子點的論文。

研究中，他們成功造出一顆可用于光纖通信波段的調(diào)頻光頻梳，讓量子點可以作為激光器的增益介質(zhì)。同時，他們首次系統(tǒng)性地報道、并討論了量子點鎖模激光器中的調(diào)頻鎖?，F(xiàn)象及其產(chǎn)生的機制。

目前，量子點鎖模激光器已被成功用于業(yè)界。而調(diào)頻鎖模技術(shù)有助于進一步提升其應(yīng)用潛力。調(diào)頻光頻梳的一大優(yōu)勢在于具備超大的光學(xué)帶寬，如果將其用在光纖通信波段，就可與密集波分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)合以提升光電芯片的數(shù)據(jù)傳輸容量。

而利用量子點作為激光器的增益材料，不僅可以實現(xiàn)高效的調(diào)頻光頻梳輸出，更能進一步提升片上光源的電光轉(zhuǎn)換效率。

同時，量子點激光器是硅光芯片的理想光源，與硅光結(jié)合可以進一步降低芯片的制造成本。

“在此之前，已經(jīng)有多個來自歐美的團隊報道稱，量子點鎖模激光器的傳輸性能可以達到 10 太比特每秒的量級，而我們要強調(diào)的正是調(diào)頻鎖模技術(shù)的大帶寬所能實現(xiàn)的功能?！倍帽硎?。

（來源：Light: Science & Applications）

打造超大帶寬光頻梳，以用于高速光子集成電路

如今，當(dāng)我們談起鎖模激光器或光學(xué)頻率梳的時候，更多是指其調(diào)幅特性，而這與其發(fā)展歷史密切相關(guān)。1960 年，美國科學(xué)家西奧多·哈羅德·梅曼（Theodore Harold Ted Maiman）報道了世界上第一臺激光器。在這之后的五年內(nèi)，人們陸續(xù)在氣體激光器和半導(dǎo)體激光器內(nèi)發(fā)現(xiàn)鎖?，F(xiàn)象，深刻影響了激光器的后續(xù)發(fā)展。

鎖模效應(yīng)，指的是激光器不同諧振模式之間存在固定的相位關(guān)系，而且在理想情況下不隨時間變化。一般來說，鎖?？梢酝ㄟ^對腔內(nèi)光場進行周期性幅度調(diào)制實現(xiàn)，這在激光輸出上會體現(xiàn)出一系列周期性的光脈沖，也就是調(diào)幅光頻梳。

由于超快光脈沖在激光加工、探測和遙感等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。自 20 世紀 60 年代起，調(diào)幅光頻梳得到了充分研究和發(fā)展。

1964 年，美國斯坦福大學(xué)史蒂芬·哈里斯教授（Stephen E. Harris）和羅素·塔格（Russell Targ）教授報道了氦氖激光器中的調(diào)頻鎖?，F(xiàn)象。

相比調(diào)幅鎖模激光器，調(diào)頻鎖模激光器在時域上呈現(xiàn)出類連續(xù)波的輸出。由于調(diào)頻鎖模效應(yīng)無法實現(xiàn)人們所期待的光脈沖輸出，故針對它的研究逐漸趨于平淡。

上述現(xiàn)狀直到 2012 年才得到改變。當(dāng)年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院杰羅姆·法斯特（Jér?me Faist）教授和團隊，在用于中紅外波段的量子級聯(lián)激光器中發(fā)現(xiàn)了自鎖?，F(xiàn)象。

顧名思義，這種鎖模效應(yīng)只需通過一段增益介質(zhì)和一個簡單的法布里-珀羅腔便能實現(xiàn)，無需借助任何外部幅度調(diào)制工具。有趣的是，該激光器無法輸出傳統(tǒng)意義上的光脈沖。

至此，幾乎塵封半個世紀之久的調(diào)頻光頻梳重新走入大眾視野。隨后人們逐步揭開了調(diào)頻鎖模激光器的神秘面紗——超快光學(xué)增益介質(zhì)所帶來的極致光學(xué)非線性。

由于量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，載流子可以實現(xiàn)皮秒級別的帶內(nèi)躍遷，從而帶來極強的空間燒孔（spatial hole burning）和四波混頻（four-wave mixing）效應(yīng)，進而實現(xiàn)腔內(nèi)光場的頻率調(diào)制。這也是傳統(tǒng)載流子帶間躍遷的量子阱激光器所無法比擬的。

同時，大量研究表明調(diào)頻光頻梳可以帶來比傳統(tǒng)調(diào)幅光頻梳更大的光學(xué)帶寬，這使其擁有廣泛的應(yīng)用前景。

盡管調(diào)頻鎖模理論在量子級聯(lián)激光器中已得到較為充分的研究，但調(diào)頻光頻梳的應(yīng)用潛力尚待發(fā)掘。受限于量子級聯(lián)激光器的工作波段，目前高性能的調(diào)頻光頻梳主要用于中紅外波段。

然而，在通信技術(shù)更為成熟的近紅外波段，理論研究和實驗研究都證明調(diào)頻光頻梳無法在傳統(tǒng)量子阱激光器中高效輸出，導(dǎo)致其超大的光學(xué)帶寬的優(yōu)勢無法被充分發(fā)揮。

量子點結(jié)構(gòu)的構(gòu)想最初由日本東京大學(xué)荒川泰彥（Yasuhiko Arakawa）教授于 1982 年提出，他指出在量子阱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以將半導(dǎo)體材料生長為三維 10 納米左右的立體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對載流子流動的進一步限制。而該研究的最初目的旨在提高增益介質(zhì)的電光轉(zhuǎn)換效率。

然而，對載流子施加三維限制也帶來了離散的半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)，這讓量子點兼具量子阱與量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)的特性，游走其中的載流子進行緩慢的帶間躍遷，也能實現(xiàn)快速的帶內(nèi)躍遷。

早在 2000 年，德國柏林工業(yè)大學(xué)迪耶·比姆貝格（Didier Bimberg）教授和團隊已經(jīng)報道過上述現(xiàn)象。但是，在之后的一段時間內(nèi)，學(xué)界并沒有將其與調(diào)頻光頻梳技術(shù)建立起聯(lián)系。

事實上，量子點鎖模激光器中的調(diào)頻效應(yīng)在一定程度上被調(diào)幅效應(yīng)所掩蓋著。由于大部分報道的量子點鎖模激光器，都可以實現(xiàn)典型的調(diào)幅光脈沖輸出，所以學(xué)界普遍認為它仍然是屬于載流子帶間躍遷的激光器，也就是說它只不過是量子阱結(jié)構(gòu)的進階版。

盡管如此，依舊有一些課題組比如來自加拿大國家科研中心的一支團隊，報道了量子點激光器中的自鎖?，F(xiàn)象。直到 2012 年，一個來自歐洲的聯(lián)合團隊報道了一顆無脈沖輸出的量子點自鎖模激光器，只是當(dāng)時他們還沒有意識到那是調(diào)頻鎖模效應(yīng)。

十多年后的今天，量子點激光器中的自鎖模效應(yīng)，正被逐步認為是調(diào)頻鎖模效應(yīng)，但還有至少三個問題并未得到充分解答。

其一，量子點激光器中的調(diào)頻鎖模和調(diào)幅鎖模效應(yīng)究竟通過什么條件觸發(fā)和關(guān)閉的？

其二，一些自鎖模量子點激光器中的超快脈沖輸出到底該如何解釋？

其三，包含可飽和吸收體的被動鎖模量子點激光器所輸出的究竟是調(diào)幅光頻梳還是調(diào)頻光頻梳？

如果連激光器的輸出性質(zhì)都無法確定的，后續(xù)發(fā)展勢必會受到影響。因此，董伯彰的研究目的很明確，就是找出該現(xiàn)象背后的原因，并利用調(diào)頻鎖模技術(shù)實現(xiàn)超大帶寬光頻梳，從而用于高速光子集成電路。

（來源：Light: Science & Applications）

從“我沒被說服”，到“思想上的變革”

盡管本次論文發(fā)表于董伯彰的博后期間，但是此次課題的確定則能追溯到他在剛讀博時的第一個課題。

當(dāng)時，他的主要研究方向是量子點被動鎖模激光器的非線性動態(tài)。其發(fā)現(xiàn)，對可飽和吸收體施加反向偏壓可以提高光譜帶寬，并能同時提高激光器的線寬展寬因子。

按照調(diào)幅鎖模理論，一般對前者的解釋是：可飽和吸收體上的反向偏壓會壓縮光學(xué)脈沖的脈寬，從而提高光譜帶寬。

然而，受限于當(dāng)時的測試條件，他和同事無法得到更多的數(shù)據(jù)，只能按照既有理論去理解這一現(xiàn)象。

“至于后者，我們知道激光器的線寬展寬因子會直接影響激光器的性能，例如噪聲水平和對外部光學(xué)反饋的敏感度。那么，激光器的光譜帶寬會不會也在一定程度上受到線寬展寬因子的影響？可能二者之間并無直接關(guān)聯(lián)，但我無法做到忽視它們之間的相關(guān)性。”董伯彰說。

但在當(dāng)時，對于這一問題他暫時沒有答案。甚至這個問題在當(dāng)時根本就不存在，因為據(jù)他所知這是第一次有研究結(jié)果顯示激光器的線寬展寬因子與可飽和吸收體上反向偏壓具有相關(guān)性，以至于現(xiàn)有理論模型并沒有把這個效應(yīng)考慮進去。

“后來因為種種原因，我沒能在讀博期間解決這個問題，但它卻在我心中埋下了一顆種子。”其表示。

等來到加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校之后，他終于有更多時間去思考上述問題。就在這時他接觸到了量子級聯(lián)激光器的鎖模理論，并了解了調(diào)頻鎖模效應(yīng)。

其表示：“在此我需要感謝來自奧地利維也納理工大學(xué)的 Benedikt Schwartz 教授團隊，閱讀他們的理論論文實在是一種享受。他們指出量子級聯(lián)激光器中的光學(xué)克爾效應(yīng)受到線寬展寬因子的直接影響，并有助于提高光譜帶寬?！?/p>

于是接下來問題是：能否使用調(diào)頻光頻梳的理論，去解釋量子點激光器？這兩種激光器有沒有共同點？

后來董伯彰驚喜地發(fā)現(xiàn)，幾乎所有量子點激光器的理論和實驗結(jié)果都在指向調(diào)頻鎖?，F(xiàn)象。理論基礎(chǔ)已經(jīng)建立，最后一步便是直接測量出調(diào)頻光頻梳動態(tài)。

研究期間，董伯彰導(dǎo)師對他說的最多的一句話就是“我沒被說服”，所以他不得不用更多研究結(jié)果去說服導(dǎo)師。而如果沒有導(dǎo)師的鞭策，他可能也不會去盡力完善這項工作。

直到董伯彰最終向?qū)熥C明了調(diào)頻光頻梳現(xiàn)象，后者用“思想上的變革（evolution of thinking）”來評價這項工作。

另外，研究期間董伯彰曾和奧地利維也納理工大學(xué)尼古拉·阿帕克（Nikola Opacak）博士有過交流。后者從一開始不相信量子點激光器也能像量子級聯(lián)激光器一樣高效地輸出調(diào)頻光頻梳，到后來著手參與理論建設(shè)，最后認可了董伯彰的結(jié)論?！岸麑τ诎雽?dǎo)體物理的深層次理解，也給工科出身的我提供了很多新思路。”董伯彰說。

日前，相關(guān)論文以《寬帶量子點調(diào)頻梳狀激光器》（Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser）為題發(fā)在 Light: Science & Applications（IF 19.4），董伯彰是第一作者兼共同通訊，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校約翰·鮑爾斯（John E. Bowers）教授擔(dān)任共同通訊 [1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: Science & Applications）

董伯彰說：“接下來的工作有兩個方向：一個是溯源，一個是發(fā)展。我希望不僅是我們團隊，也能有更多同行參與到這項研究中來。我們希望與更多的理論學(xué)家合作，從而將調(diào)頻鎖模理論適配到量子點激光器中。同時，我們也會關(guān)注調(diào)頻鎖模量子點激光器在集成光路和數(shù)據(jù)中心中的進一步應(yīng)用?！?/p>

（來源：Light: Science & Applications）

參考資料：

1.Dong, B., Dumont, M., Terra, O.et al. Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser. Light Sci Appl 12, 182 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01225-z