高效率、低成本：新型“一体化”微频梳激光器改变消费电子产品

　　光频梳是一种相干光源，由许多高度相干的单频激光线组成，在频域上等间距。作为一种测量光的重要设备，其发展给计量学、光谱学和原子钟等许多领域带来了革命性的变化。近年来，业界对在片上非线性微谐振器中产生锁相光学频率梳产生了浓厚的兴趣。尽管取得了这一巨大进步，但微频梳的开发和应用仍面临挑战。

　　首先，由于器件本身的非线性，很难触发梳状锁模。自启动操作被证明可以解决这一问题。然而，它们的实现需要复杂的系统预配置和对特定非线性动态的仔细平衡，这在大多数实际器件中很难应用。其次，由于孤子脉冲引起的泵激光腔频率失谐，孤子微蜂窝产生的功率效率较低。虽然脉冲泵浦或辅助谐振子增强可以提高生成效率，但它们需要在时间或谐振频率上进行微妙的同步，而且孤子初始化的难度依然存在。

　　第三，由于梳状发生器是单片的，制作完成后很难改变，因此梳状发生器的可控性受到限制。压电效应可用于使梳状谐振器变形，但由于其机械响应速度较慢，因此调谐速度和效率有限。迄今为止，大多数梳状发生器仍需依靠外部激光控制，来调整微梳状状态。

　　什么是微频梳？

　　光频梳产生的光谱由多束相干光组成，每束光的频率或颜色不同，间距均匀。由此产生的形状类似于梳齿。近年来，科学家们一直在努力创造这种技术的微型版本，即微型梳齿，可以安装在小型芯片上。

　　不过，虽然科学家们在微频梳原型制作方面取得了进展，但他们在生产可应用于实际设备的可行版本方面却收效甚微。其中的障碍包括功率效率低、可控性有限、机械反应慢以及需要复杂的系统预配置。

　　研究方法

　　发表于《自然通讯》上的一项研究表明，罗切斯特大学的研究人员介绍了他们开发的新型微梳状激光器。这种激光器克服了以前的限制，设计简单，可以为广泛的用途打开大门。研究人员提出了一种与众不同的方法，在单一设备中解决这些难题。

　　图1a显示了设备概念。传统方法仅仅依靠单一机制——光学克尔效应或电光效应——来产生梳状信号，而研究人员则利用谐振增强的电光（EO）调制来启动梳状信号的产生，利用谐振增强的光学克尔效应来扩大梳状信号的带宽和锁定梳状信号线的相位，并利用嵌入式 III-V 光学增益来维持和稳定梳状信号的运行。此外，由此产生的相干微波（通过光学检测）被反馈回环氧乙烷梳状器，以进一步增强模式锁定，从而实现独特的自维持梳状器运行。

　　研究人员通过将III-V 增益元件与薄膜铌酸锂（LN）光子集成电路（PIC）相集成，制造出III-V/LN 组合激光器（图1b），从而实现了这一方法。铌酸锂光子集成电路最近在高速调制、频率转换、光学频率梳和单频激光器等各种应用中引起了极大的兴趣。

　　这里，将有源环氧乙烷调制与无源四波混频（FWM）结合在一个经过色散工程设计的高Q 值激光腔中，按需产生锁模孤子微蜂窝，只需打开/ 关闭驱动梳状谐振器的射频信号或驱动增益元件的电流，就能自然而然地实现自启动全套操作。由于梳状模式直接从材料增益中提取能量，因此从III-V增益介质中获得的所有光功率都完全用于产生梳状，这与传统的微梳状不同。在传统微梳状中，大部分光功率都留在泵浦波中。

　　此外，LN腔的强电光效应可实现梳状频率的高速可调，以及梳状频谱和模式间距的电光可重构。利用这种方法，能够制造出宽带高相干性微频梳，单个频梳线宽低至600Hz，整个微频梳的频率可调谐性超过2.4×1017Hz/s，在500 kHz频率偏移时，微波相位噪声低至-115dBc/Hz，壁塞效率超过5.6%。

　　研究团队所展示的方法简单，为按需生成锁相微频梳开辟了一条新路，这些锁相微梳子提供的卓越相干性带来了各种重要应用，包括数据通信、光谱传感、光学计算、测距、光学和微波频率合成，预计在未来几年还会有更多其他应用。

　　罗切斯特大学电气与计算机工程系教授、光学研究所教授Qiang Lin 领导的研究团队创造了一种独特的方法，用单一设备解决了这些难题。据Qiang Lin 实验室的电子与计算机工程博士生、论文第一作者Jingwei Ling 介绍，以往的方法通常依赖于将单波长激光注入非线性转换器，而非线性转换器可以将单波长转换成多波长，形成光梳。

　　Ling 说：“我们取消了单波长，因为这会降低系统的效率。取而代之的是，在系统内部的反馈环路中放大了所有梳状光本身，因此所有波长都在一个元件内得到反射和增强。”这种“一体化”微频梳激光器操作简单，因此功率需求低、成本低、可调谐性高，而且是交钥匙工程。“它易于操作，”论文共同作者Zhengdong Gao 说，“以前的方法很难激发梳状体，但有了这种方法，只需要打开电源，就可以直接控制梳状体。”

　　实现这些微频梳激光器仍然存在障碍，特别是在开发制造技术以在制造所需的公差范围内制造这种微小元件方面。不过，研究人员希望他们的设备能用于电信系统和自动驾驶汽车的光探测和测距（LiDAR）等应用。

　　对研究的讨论

　　目前的设备所能达到的微频梳频谱或孤子脉冲宽度，主要受限于腔内的可用光功率以及增强谐振器和主激光腔之间的群延迟失配。对于前者，可以通过降低损耗或增加激光腔内的光增益来改善。对于后者，理论建模表明，要形成理想超短孤子脉冲，主激光腔的往返时间必须是增强型赛道谐振器的整数倍。然而在目前的设备中，存在一定程度的不匹配，从而限制了梳状频谱和模式振荡射频音的相干性。

　　这个问题可以通过进一步优化主激光腔的往返长度来解决。例如通过异质集成，主激光腔的往返长度可以由制造工艺精确定义。还可以通过在外部激光腔中引入一定的群延迟调谐元件来解决这个问题。通过这些优化措施，有望制造出超宽带高相干孤子微频梳。

　　通过研究团队的技术，介绍了一种芯片级微频梳激光器，这种激光器可通过主动驱动或被动反馈方法灵活锁模，并能以超快的速度进行调谐/ 重新配置，内置了强大的交钥匙操作功能。所展示的集成梳状激光器具有显著的可重新配置性，性能大大超出了传统的片上模式锁定半导体激光器。

　　所展示的设备将集成激光器结构的简易性、模式锁定操作的稳健性以及电光增强的可调谐性和可控性完美地结合在一起，为按需生成具有高功率效率的孤子微光束开辟了一条新途径，研究人员认为，这将为包括测距、通信、光学和微波合成、传感、计量等在内的广泛应用带来巨大前景。