导 读
近日，哈佛大学 Marko Loncar教授团队与斯坦福大学Joseph Kahn教授团队合作，在光学芯片上实现了一种新型的光频梳。这项工作首次在集成光学芯片上利用电光调制和高Q微腔实现了宽频谱的光频梳。研究成果以“Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator” 为题发表在3月11日的《Nature》上。
光频梳是由等频率间隔的相干光构成的宽频谱光源。自2005年获得诺贝尔奖以来，光频梳已经在精密时间测量，光谱学分析，光学通信，光学测距等领域中取得了广泛的应用。产生光频梳的传统仪器，如钛蓝宝石激光器，通常体积较大、对环境敏感且价格昂贵，因而在许多领域的实际应用受到诸多限制。近年来，基于光学微腔实现的片上集成光频梳受到了广泛关注，这种集成光频梳具有体积小、成本低、能耗低、脉冲重复频率（repetition rate）高等众多优势。迄今为止，绝大部光学芯片上产生的光频梳都基于光学三阶非线性原理（克尔效应），即通过级联的四波混频过程产生频梳。利用这种方法可以产生频谱范围超过二倍频的宽频光梳，然而由于其物理过程比较复杂，实现稳定可控的片上光频梳源仍然面临各种挑战。
另一方面，早在20世纪后期基于锁模激光器的宽谱光频梳发明以前，人们就研究过基于二阶非线性效应——电光调制作用——实现的光频梳。这种光频梳通过使用固定频率的微波信号调制单频率的激光来产生边带谱线，当这种边带产生过程级联之后就能产生一定宽度的光频梳。但是传统电光频梳有一个致命的缺点，就是产生的光谱带宽太窄，其最宽的频谱宽度只有10-20纳米左右。这是因为传统电光频梳依赖于体材料铌酸锂电光调制器，其调制电压高，因而产生边带的效率较低。虽然这种光梳发生的系统具有性能稳定和易于重构（脉冲重复频率可调）等优点, 但其较窄的频谱限制了电光频梳在更广泛领域的应用。
在该工作中，研究人员首次在一个铌酸锂集成光子芯片上实现了宽谱电光频梳。这种新型光频梳不仅继承了传统电光频梳的稳定性，而且体积小、功耗低、并从根本上解决了色散对电光频梳宽度的限制——实验室样品芯片即达到了超过900条光谱线的产生和超过80纳米的带宽。相比于传统技术，此项研究采用了新型薄膜材料铌酸锂平台。该研究团队近年来在薄膜铌酸锂纳米加工技术上取得了重大突破，并创新优化了电光频梳微腔及金属电极的设计。通过在片上制备高质量的纳米铌酸锂微环腔以及高频微波金属电极, 研究人员得以直接在超高Q值铌酸锂微环内对光子施加高频微波调制，从而产生宽频谱电光频梳。同时，研究人员建立了一个简单的模型，能够准确描述微尺度电光频梳的物理原理并且精确地预测光梳在不同失谐条件下的频谱特征和形状。通过这个模型，研究人员设计了能够补偿波导自身色散的频梳发生器件，从而使得频梳带宽达到80纳米，突破了传统材料的限制。研究人员还通过理论模型证明，未来通过进一步优化器件设计和加工工艺，这种集成电光频梳展宽可超过八度（二倍频）, 从而实现f-2f稳频，以达到更好的稳定性。
与克尔效应产生的光频梳相比，本研究中的集成电光频梳的主要优势在于其频谱对输入光的功率不敏感，不存在阈值输入功率。除此之外，电光梳频的另一个优势在于其易重构性，即脉冲重复频率可调节。通过同时使用两个不同频率的微波信号驱动该器件, 研究人员在一个微环上实现了同时含有两种脉冲重复频率的“双光梳”，并展示了这种双光梳的脉冲重复频率之差可以在10Hz到100MHz的范围内连续可调。双光梳在光谱分析、激光雷达测距等领域拥有广泛的前景。这个实验证明了利用电光效应产生的光梳可以同时被多个不同频率的微波源驱动，大大提高了其应用的灵活度。对应不同的应用场景，双光梳的频率差可以被灵活地调整到不同的频率，从而获得合适的测量动态范围。
图1：电光频梳发生的概念示意图及其微环上的实现。(a) 单色激光通过光学腔中的电光调制过程产生光频梳 (b)光子在电光效应的调制作用下在不同的光学腔模式之间跃迁 (c) 在微环上实现电光频梳。微环的一侧通过电光调制效应实现光子跃迁产生光频梳。
图2：(a) 铌酸锂电光频梳微环显微图。黑色线显示铌酸锂波导和微环，黄色区域为金电极区域。这样的电极设计使得微环上半部分与下半部分产生的调制相位相反，从而使得原本正交的不同光学模式之间产生耦合 (b) 通过电光调制于单频激光输入而产生的电光频梳。该光频梳有超过900条谱线，频率间距为10.453 GHz。左边插图为放大的光谱，显示相邻谱线之间的功率差约为0.1dB，右边插图显示原本符合洛伦兹形状的微环谐振峰在加入微波调制后发生了改变，从而增大了微环谐振腔的实际带宽。
图3：电光频梳形状特征的精确控制。(a)通过调节微波频率与微腔自由光谱范围（FSR）之间的失谐大小，频梳光谱的形状和宽度可以被精确调节。实线代表理论模型模拟的结果。(b) 简化的理论模型预测的光梳宽度（灰色覆盖区域）。(c,d) 通过调节输入激光频率和微环谐振频率之间的失谐大小，可以产生单边的光频梳。(e) 通过设计波导形状可以产生二倍频宽度的电光频梳。
图4，双频调制的电光频梳。(a) 当使用两个不同频率但互相锁相的微波源调制同一个微环，所产生的双光梳在光探测器上所产生的拍频信号。双光梳之间的频率差可以精确地从10Hz变化到100MHz.(b)实现双频微波驱动的实验原理图。(c-f) 线性频率坐标上不同频率间产生的拍频信号。
这种在铌酸锂薄膜平台上基于电光效应的集成光频梳具有稳定、灵活、可调节等众多优势。它为双光梳光谱分析等实际应用提供了可靠性高和可扩展性强的解决方案，而不必过分依赖于微纳加工精度。更重要的是, 由于该薄膜铌酸锂平台还具备集成超高速电光调制，高效二次谐波发生等诸多功能的可能，将集成光频梳与这些器件结合可望为未来光电子行业带来更实用的光芯片。在今后的工作中，研究人员希望能进一步优化该器件，从而实现更高电光转换效率、频谱达到二倍频宽的电光频梳源。
该论文共同第一作者包括HyperLight CEO张勉博士，斯坦福大学博士生Brandon Buscanio和香港城市大学王骋教授，通讯作者为哈佛大学Marko Loncar教授。张勉，王骋和Marko Loncar共同参与了哈佛初创公司HyperLight的建立。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1008-7
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