Nature Photonics：高效率宽带集成电光频梳与飞秒脉冲源

撰稿|由课题组供稿

近年来，集成光学的高速发展推动了许多稳定、简洁、宽带的频梳源实现。这些频梳源在光通信、雷达、光谱学、精密测量、光学计算和量子信息等领域都有着重要的作用。宽带的电光频梳可以通过电光微腔来生成，但是目前的宽带电光频梳有着转化效率很低这一核心问题。2022年10月，哈佛大学Marko Loncar教授团队在基于薄膜铌酸锂平台上，通过将广义临界耦合的概念应用到薄膜铌酸锂的耦合谐振腔中，能够在不牺牲带宽的前提下解决了转化效率低的问题。与目前最先进的电光频梳相比，该工作将转化效率提高了100倍，同时带宽提高了2.2倍。在此基础上，该工作展示了器件可作为飞秒脉冲源（336 fs），并且首次展示了同时使用电光效应和克尔效应生成光学频梳。论文第一作者为胡耀文，共同第一作者为喻梦婕教授，通讯作者为胡耀文和Marko Loncar教授，该工作以题名“High-efficiency and broadband on-chip electro-optic frequency comb generators”发表在Nature Photonics上。

光学频梳作为目前各大光学领域最核心的元器件之一，目前正在朝着高度集成化的方向发展，然而，目前的光学频梳无法同时实现所需要的高性能：高转化效率，高带宽，超快脉冲时间。

本文利用了团队在之前工作中[Nature 599, 587 (2021),https://www.nature.com/articles/s41586-021-03999-x]提出的广义临界耦合的概念和耦合谐振腔平台，将之应用到了电光频梳领域。改变了电光频梳系统中能量流动的模式和机理，从而解决了常规单谐振腔中大部分输入光无法进入谐振腔的根本问题，大大提高了转化效率并且不影响器件的带宽。以此为基础，团队展示了该器件可作为集成飞秒脉冲源，并首次展示了能够同时包含电光和克尔效应的光学频梳。

图1.a) 器件照片，器件由2个耦合谐振腔组成； b) 器件输出的频梳功率与输入泵浦光为线性关系，展现出30%的转化效率；c) 器件输出频梳（蓝色）。转化效率为30%，带宽为132 nm。与目前最先进的电光频梳（紫色）相比，有着100倍的转化效率提升和2.2倍的带宽提升。

图2.a) 飞秒脉冲； b) 电光，克尔和拉曼效应；c)同时使用电光效应和克尔效应的光学频梳；d) 频谱中电光，克尔和拉曼效应的示意图。

该论文通过将广义临界耦合和耦合谐振腔应用到电光频梳当中，解决了宽带电光频梳转化效率低的核心问题，展示了同时实现宽带和高效率的电光频梳，并展示了超快的飞秒脉冲源。该工作所展示的性能可以提高光通信，光学神经网络的效率，并且在天文学搜索系外行星，时域和频域的量子信息处理，光原子钟等应用上都有着重大意义。

该研究成果的文章题目为“High-efficiency and broadband on-chip electro-optic frequency comb generators”，发表在Nature Photonics。

DOI： 10.1038/s41566-022-01059-y

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01059-y