撰稿 |  陳玉君 張緒光

光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb，簡稱 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、計算和原子鐘等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用吸引了越來越多學(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)進步作出了突出貢獻。

近日，來自美國加州大學(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，受邀撰文解讀了 OFC 技術(shù)的歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景。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，簡稱 PICs）中的研究進展，并提出了將先進的光頻梳系統(tǒng)從實驗室向生活實際應(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)的不斷進步，近年來 OFC 的芯片化取得了重要的進展，其應(yīng)用場景變得更為廣闊。目前，OFC 已在光計算、激光雷達、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。OFC 所具有的多波長并行的優(yōu)勢，顛覆了傳統(tǒng)的計算與傳感的系統(tǒng)架構(gòu)，帶來了系統(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)中相對單一的材料嚴(yán)重制約了集成光學(xué)的功能實現(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)鍵問題，常林與團隊在過去幾年里研發(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[2](Nature Photonics 2021)、多材料體系的先進系統(tǒng)封裝[3]，[4](Nature 2018, Nature 2020) 以及在晶圓級別的集成[5] (Science 2021)，并推出世界首個 200nm 晶圓微腔光譜梳并達成量產(chǎn)[2](Nature Photonics 2021) 等，將光頻梳這一技術(shù)從實驗室推進到了產(chǎn)業(yè)化時代。

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，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光泵實現(xiàn)的。

半導(dǎo)體鎖模激光器首先是由激光器直接產(chǎn)生多個波長的光，接著通過激光器內(nèi)部的一些效應(yīng)實現(xiàn)波長之間的相互鎖定，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)。

因為集成半導(dǎo)體鎖模激光器所用到的光學(xué)激光器發(fā)展相對較早，集成半導(dǎo)體鎖模激光器的發(fā)展早于集成非線性器件。非線性器件的實現(xiàn)依賴低損高非線性的平臺，在 21 世紀(jì)之后開始逐漸出現(xiàn)，直到最近幾年才發(fā)展起來。這些最新的進展受益于在集成光子學(xué)平臺中對波導(dǎo)模式的強約束和對波導(dǎo)幾何形狀的精確控制除了緊湊性和可擴展性外，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)用提供了一個多功能工具箱，在光梳性能的各個方面提供了不同的優(yōu)化方案。為了實現(xiàn)不同的目的，可以通過仔細考慮光梳的類型和具體的參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計。綜述總結(jié)了已有的OFC工作進展和部分性能參數(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、可靠性和可擴展性也是衡量光頻梳的重點。

目前，OFC 技術(shù)已在集成光學(xué)領(lǐng)域取得了顯著的成就，在不同的平臺上實現(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、價格昂貴的設(shè)備來產(chǎn)生、控制和操縱光頻梳，因此現(xiàn)在依然主要在實驗室中實現(xiàn)。

而集成光學(xué)通過利用現(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。此外，集成光學(xué)在過去 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)用先進光刻和納米制造技術(shù)來生產(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驗轉(zhuǎn)向消費者應(yīng)用的進程，并邁向自動駕駛、5G/6G 通信和機器學(xué)習(xí)等諸多新興技術(shù)領(lǐng)域。

該團隊在綜述中展示了他們利用多材料集成的實例，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，從而在系統(tǒng)層面帶來最優(yōu)的性能。對于集成光路技術(shù)來說，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集成方式的應(yīng)用是集成 OFC 器件的發(fā)展方向。

文章認為，對于這一系列的發(fā)展來說，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)中信號的質(zhì)量。對于通信及一些對線寬和波長數(shù)要求不嚴(yán)格的應(yīng)用來說，鎖模激光器會是先被使用的方案，其在產(chǎn)品成熟度以及功率上有很大優(yōu)勢；而對于有更高相干性和更多梳齒數(shù)需求的應(yīng)用來言，基于非線性的頻梳長期來看有著很大的潛力，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，晶圓級生產(chǎn)的集成 OFC 技術(shù)的第一個廣泛應(yīng)用可能出現(xiàn)在用于數(shù)據(jù)中心和高性能計算的密集波分復(fù)用光互連中。光頻梳、光學(xué)收發(fā)機和微電子技術(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，過去昂貴的精密測量系統(tǒng)將有望實現(xiàn)小型化，包括光原子鐘和光譜儀等。另一方面，通過多波長的并行能力，基于光子芯片的光計算有望實現(xiàn)計算速度上多個數(shù)量級的提升。此外，傳感領(lǐng)域更為廣大的市場來自于激光雷達。通過光頻梳所實現(xiàn)的并行激光雷達體系，將大大提升系統(tǒng)的采樣速率，降低硬件成本，從而解決自動駕駛領(lǐng)域長期以來在探測方面的瓶頸。

在短短幾十年的時間里，集成的 OFC 解決了許多困難的技術(shù)問題，展望未來，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到更高級別的復(fù)雜度時，高精度計時和頻率合成將迎來一個巨大的市場，推動數(shù)據(jù)傳輸、傳感、計量和基礎(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

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

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