撰稿 |  陳玉君 張緒光

光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb，簡(jiǎn)稱 OFC）是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成的光譜。隨著新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，OFC 由于其在光通信、傳感、計(jì)算和原子鐘等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用吸引了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，成為光子學(xué)近幾十年最活躍的領(lǐng)域之一，為基礎(chǔ)科學(xué)和商業(yè)環(huán)境中的現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步作出了突出貢獻(xiàn)。

近日，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）的常林 （目前已入職北大擔(dān)任博士生導(dǎo)師）、劉松濤（目前任職于 Intel）與約翰·鮑爾斯（John Bowers）教授因在這一領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，受邀撰文解讀了 OFC 技術(shù)的歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)前景。相關(guān)論文以 Integrated optical frequency comb technologies（集成光頻梳技術(shù)） 為題發(fā)表在 Nature Photonics。

該文章全面總結(jié)分析了集成光學(xué)中產(chǎn)生光頻梳的不同方案，總結(jié)了光頻梳在集成光路（photonic integrated circuits，簡(jiǎn)稱 PICs）中的研究進(jìn)展，并提出了將先進(jìn)的光頻梳系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室向生活實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)移的路線圖。

圖1：集成化光頻梳示意圖

文章中提到，得益于光子芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái) OFC 的芯片化取得了重要的進(jìn)展，其應(yīng)用場(chǎng)景變得更為廣闊。目前，OFC 已在光計(jì)算、激光雷達(dá)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。OFC 所具有的多波長(zhǎng)并行的優(yōu)勢(shì)，顛覆了傳統(tǒng)的計(jì)算與傳感的系統(tǒng)架構(gòu)，帶來(lái)了系統(tǒng)信息處理速度上的巨大提升。

但是傳統(tǒng)集成光學(xué)技術(shù)中相對(duì)單一的材料嚴(yán)重制約了集成光學(xué)的功能實(shí)現(xiàn)。由于不同的材料體系在光子芯片中發(fā)揮著不同的重要功能，OFC 乃至于整個(gè)光子芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是多材料體系的集成技術(shù)。圍繞這一關(guān)鍵問(wèn)題，常林與團(tuán)隊(duì)在過(guò)去幾年里研發(fā)了一系列多材料體系集成的核心技術(shù)，如超低損耗的三五族半導(dǎo)體[1](Nature Communications 2020)、氮化硅的光子芯片平臺(tái)[2](Nature Photonics 2021)、多材料體系的先進(jìn)系統(tǒng)封裝[3]，[4](Nature 2018, Nature 2020) 以及在晶圓級(jí)別的集成[5] (Science 2021)，并推出世界首個(gè) 200nm 晶圓微腔光譜梳并達(dá)成量產(chǎn)[2](Nature Photonics 2021) 等，將光頻梳這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)到了產(chǎn)業(yè)化時(shí)代。

一、光頻梳器件的集成方案

當(dāng)前集成 OFC 器件主要分為集成半導(dǎo)體鎖模激光器和集成非線性光頻梳器件。

半導(dǎo)體鎖模激光器的集成化方案是片上 Ⅲ-Ⅴ 族半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)；集成非線性光頻梳的小型化集成方案主要依賴于低損耗、高非線性集成光學(xué)平臺(tái)，如絕緣體上的化合物半導(dǎo)體、氮化硅、鈮酸鋰等。

這兩種器件的根本區(qū)別在于泵浦方式的不同。鎖模激光器的泵浦方式是直接電泵，非線性光頻梳器件是通過(guò)光泵實(shí)現(xiàn)的。

半導(dǎo)體鎖模激光器首先是由激光器直接產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)的光，接著通過(guò)激光器內(nèi)部的一些效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)之間的相互鎖定，包括可飽和吸收等。而非線性光頻梳器件一般是由光學(xué)泵浦通過(guò)非線性的效應(yīng)產(chǎn)生新的頻率，如克爾效應(yīng)、電光效應(yīng)、二階非線性效應(yīng)等。非線性光頻梳的器件形態(tài)一般為微腔或波導(dǎo)。

因?yàn)榧砂雽?dǎo)體鎖模激光器所用到的光學(xué)激光器發(fā)展相對(duì)較早，集成半導(dǎo)體鎖模激光器的發(fā)展早于集成非線性器件。非線性器件的實(shí)現(xiàn)依賴低損高非線性的平臺(tái)，在 21 世紀(jì)之后開(kāi)始逐漸出現(xiàn)，直到最近幾年才發(fā)展起來(lái)。這些最新的進(jìn)展受益于在集成光子學(xué)平臺(tái)中對(duì)波導(dǎo)模式的強(qiáng)約束和對(duì)波導(dǎo)幾何形狀的精確控制除了緊湊性和可擴(kuò)展性外，與早期的基于光纖或非線性晶體的方法相比，精密的制造技術(shù)讓基于芯片的非線性頻率梳器件在設(shè)計(jì)上具有更大的靈活性。

圖2：片上光頻梳的技術(shù)發(fā)展歷史

二、關(guān)鍵指標(biāo)和屬性

集成的 OFC 為不同的應(yīng)用提供了一個(gè)多功能工具箱，在光梳性能的各個(gè)方面提供了不同的優(yōu)化方案。為了實(shí)現(xiàn)不同的目的，可以通過(guò)仔細(xì)考慮光梳的類型和具體的參數(shù)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜述總結(jié)了已有的OFC工作進(jìn)展和部分性能參數(shù)，及其他的一些基本屬性。

性能參數(shù)包括頻梳和泵浦類型、重復(fù)頻率和梳距、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率、以及光學(xué)和微波噪聲等，此外，可重構(gòu)性、可靠性和可擴(kuò)展性也是衡量光頻梳的重點(diǎn)。

目前，OFC 技術(shù)已在集成光學(xué)領(lǐng)域取得了顯著的成就，在不同的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了片上光頻梳的產(chǎn)生，其性能甚至可與傳統(tǒng)體材料或基于光纖的光頻梳相比。雖然 OFC 技術(shù)具有明確的價(jià)值和非比尋常的重要性，但由于它們通常依靠體積龐大、耗電量大、價(jià)格昂貴的設(shè)備來(lái)產(chǎn)生、控制和操縱光頻梳，因此現(xiàn)在依然主要在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。

而集成光學(xué)通過(guò)利用現(xiàn)代制造基礎(chǔ)設(shè)施，在降低系統(tǒng)尺寸、重量、功耗和成本方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。此外，集成光學(xué)在過(guò)去 20 年中蓬勃發(fā)展，尤其是基于硅的集成光學(xué)，這使得應(yīng)用先進(jìn)光刻和納米制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn) OFC 器件的愿景成為可能。

三、集成光頻梳面臨的挑戰(zhàn)和展望

綜述中提到，要想使 OFC 器件真正發(fā)揮大作用，須將其集成到集成光路中，從而加快從研究室實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向消費(fèi)者應(yīng)用的進(jìn)程，并邁向自動(dòng)駕駛、5G/6G 通信和機(jī)器學(xué)習(xí)等諸多新興技術(shù)領(lǐng)域。

該團(tuán)隊(duì)在綜述中展示了他們利用多材料集成的實(shí)例，其將磷化銦、砷化鎵、硅、氮化硅等一系列材料融入集成光路中，以實(shí)現(xiàn)集成光頻合成器。由于不同的材料體系在集成光路中起著不同的作用，采用多材料體系集成的方式可以在集成光路中發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，從而在系統(tǒng)層面帶來(lái)最優(yōu)的性能。對(duì)于集成光路技術(shù)來(lái)說(shuō)，微納制造工藝和材料科學(xué)發(fā)展都嚴(yán)重制約著其產(chǎn)品化，集成 OFC 器件也面臨同樣的問(wèn)題。為了讓這些不同的材料體系在集成光路中發(fā)揮作用，單片集成、異質(zhì)集成、混合集成等多種先進(jìn)集成方式的應(yīng)用是集成 OFC 器件的發(fā)展方向。

文章認(rèn)為，對(duì)于這一系列的發(fā)展來(lái)說(shuō)，目前最為重要的指標(biāo)是光頻梳的輸出功率，其直接決定了系統(tǒng)中信號(hào)的質(zhì)量。對(duì)于通信及一些對(duì)線寬和波長(zhǎng)數(shù)要求不嚴(yán)格的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，鎖模激光器會(huì)是先被使用的方案，其在產(chǎn)品成熟度以及功率上有很大優(yōu)勢(shì)；而對(duì)于有更高相干性和更多梳齒數(shù)需求的應(yīng)用來(lái)言，基于非線性的頻梳長(zhǎng)期來(lái)看有著很大的潛力，其在線寬和光譜范圍上有更好的表現(xiàn)。

圖3：集成光頻合成器系統(tǒng)

在文章最后提到，在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，晶圓級(jí)生產(chǎn)的集成 OFC 技術(shù)的第一個(gè)廣泛應(yīng)用可能出現(xiàn)在用于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的密集波分復(fù)用光互連中。光頻梳、光學(xué)收發(fā)機(jī)和微電子技術(shù)的集成將使數(shù)據(jù)鏈路具有前所未有的帶寬密度、效率和覆蓋范圍。

一方面，利用其梳齒相干的特性，過(guò)去昂貴的精密測(cè)量系統(tǒng)將有望實(shí)現(xiàn)小型化，包括光原子鐘和光譜儀等。另一方面，通過(guò)多波長(zhǎng)的并行能力，基于光子芯片的光計(jì)算有望實(shí)現(xiàn)計(jì)算速度上多個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。此外，傳感領(lǐng)域更為廣大的市場(chǎng)來(lái)自于激光雷達(dá)。通過(guò)光頻梳所實(shí)現(xiàn)的并行激光雷達(dá)體系，將大大提升系統(tǒng)的采樣速率，降低硬件成本，從而解決自動(dòng)駕駛領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)在探測(cè)方面的瓶頸。

在短短幾十年的時(shí)間里，集成的 OFC 解決了許多困難的技術(shù)問(wèn)題，展望未來(lái)，當(dāng)集成系統(tǒng)能夠成熟地適應(yīng)更大跨度的光頻梳并達(dá)到更高級(jí)別的復(fù)雜度時(shí)，高精度計(jì)時(shí)和頻率合成將迎來(lái)一個(gè)巨大的市場(chǎng)，推動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸、傳感、計(jì)量和基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的新一代新興技術(shù)的發(fā)展。

論文信息

L. Chang, S. Liu, and J. E. Bowers, "Integrated optical frequency comb technologies,"Nature Photonics 16(2), 95–108 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00945-1

參考文獻(xiàn)

1. L. Chang, W. Xie, H. Shu, Q. F. Yang, B. Shen, A. Boes, J. D. Peters, W. Jin, C. Xiang, S. Liu, G. Moille, S. P. Yu, X. Wang, K. Srinivasan, S. B. Papp, K. Vahala, and J. E. Bowers, "Ultra-efficient frequency comb generation in AlGaAs-on-insulator microresonators,"Nature Communications 11, 1331- (2020).

編輯 | 趙陽(yáng)

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