歐洲科學家利用微諧振器打造全球最小光學頻率梳

圖為微諧振器頻率梳系統(tǒng)

（圖片來源：洛桑聯(lián)邦理工學院Arslan Raja）

據麥姆斯咨詢報道，光學頻率梳（optical frequency combs，OFC）是一種激光光源，其頻譜由一系列分立、均勻間隔的梳狀頻譜線組成，可用于精確測量。在過去的二十年中，它們已成為精密測距、光譜學和通訊等應用領域的主要工具。

大多數基于鎖模激光器（mode－lock lasers，即通過調制使激光振蕩不同頻率各縱模之間有確定的相位關系，以獲得窄脈寬、高峰值功率的超短脈沖激光）的商用光學頻率梳驅動源體積大且價格昂貴，這些特征限制了它們在大容量及便攜等應用的發(fā)展?jié)摿Αｋm然早在2007年就首次出現了使用微諧振器的芯片級光學頻率梳，但是由于材料損耗高且激發(fā)機制復雜，完全集成的形式受到了阻礙。

由洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的Tobias J． Kippenberg和俄羅斯量子中心（Russian Quantum Center）的Michael L． Gorodetsky共同領導的研究小組，目前已利用芯片級磷化銦激光二極管和氮化硅（Si3N4）微諧振器，建立了以88 GHz重復頻率驅動的集成孤子微梳（integrated soliton microcomb）。該器件體積僅為1立方厘米，是迄今為止同類裝置中尺寸最小的。

氮化硅（Si3N4）微諧振器是利用獲得專利的光子大馬士革回流焊接工藝制造的，該工藝在集成光子學中實現了前所未有的低損耗。這些超低損耗波導彌補了芯片級激光二極管與激發(fā)耗散克爾孤子態(tài)所需的功率級之間的差距，而這正是產生光學頻率梳的基礎。

該方法使用商用芯片級磷化銦激光器，代替了傳統(tǒng)的大型激光模組。在研究中，由于微諧振器的固有散射，小部分激光會被反射回激光器。這種直接反射有助于穩(wěn)定激光器并產生孤子梳。這表明，諧振腔和激光器可集成在單個芯片上，相比以往的技術有了獨特的改進。

Kippenberg解釋道：“人們對這種光學頻率梳驅動源產生了濃厚的興趣，這種梳驅動源是光電驅動的且能夠通過光電學完全集成來滿足新一代應用的需求，特別適用于激光雷達（LiDAR）和數據中心的信息處理。這不僅代表了耗散克爾孤子領域的技術進步，而且還隨著腔體的快速反饋提供了深入了解其非線性動力學的契機。”

整個系統(tǒng)體積小于1立方厘米，且可實現電氣控制。該研究第一作者、博士生Arslan Sajid解釋道：“這種微梳系統(tǒng)具備結構緊湊、易于調整、成本低且重復操作率低等特征，適于大規(guī)模制造應用。它的主要優(yōu)點是光反饋速度快，無需有源電子或任何其他片上調諧機制?！?br />
科學家們如今的目標是實現集成型光譜儀和多波長光源，并進一步改進在微波重復頻率工作的微梳的制造工藝和集成方法。