在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域，頻率梳是非常寶貴的工具。這些裝置就像測(cè)量光的尺子，使通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)甚至天體物理學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。但是，制造緊湊高效的頻率梳到現(xiàn)在仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

1993 年問世的光電頻率梳顯示出通過級(jí)聯(lián)相位調(diào)制產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的前景，但由于其功率要求高、帶寬有限，進(jìn)展速度放緩。

這導(dǎo)致飛秒激光器和克爾孤子微梳子成為該領(lǐng)域的主導(dǎo)，它們雖然有效，但需要復(fù)雜的調(diào)諧和高功率，限制了現(xiàn)場(chǎng)使用。

不過，最近在薄膜光電集成光子電路方面取得的進(jìn)展重新激發(fā)了人們對(duì)鈮酸鋰等材料的興趣。然而，以較低的功率實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，鈮酸鋰的固有雙折射也為可實(shí)現(xiàn)的帶寬設(shè)定了上限。

現(xiàn)在，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）、科羅拉多礦業(yè)學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家們通過在新開發(fā)的鉭酸鋰平臺(tái)上結(jié)合微波和光路設(shè)計(jì)，解決了這一難題。與鈮酸鋰相比，鉭酸鋰的本征雙折射降低了 17 倍。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。

圖片:搜狗截圖20250123091732.png

集成混合光電頻率梳發(fā)生器�？稍谛∮�1平方厘米的平面內(nèi)生成2000多條梳狀線，覆蓋450nm光譜。

在 Tobias J. Kippenberg 教授的領(lǐng)導(dǎo)下，研究人員開發(fā)出一種電光頻率梳狀發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了前所未有的 450 nm 光譜覆蓋范圍，梳狀線超過 2,000 條。與以前的設(shè)計(jì)相比，這一突破擴(kuò)大了設(shè)備的帶寬，并將微波功率需求降低了近 20 倍。

研究小組引入了一種 “集成三重諧振 ”架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，三個(gè)相互作用的場(chǎng)--兩個(gè)光學(xué)場(chǎng)和一個(gè)微波場(chǎng)--和諧共振。這是通過一種將單片微波電路與光子元件集成在一起的新型協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

通過在鉭酸鋰光子集成電路上嵌入分布式共面波導(dǎo)諧振器，研究小組顯著提高了微波約束和能量效率。

利用鉭酸鋰較低的雙折射特性，該裝置的尺寸非常小巧，僅占 1x1 平方厘米的空間。這最大限度地減少了光波之間的干擾，從而實(shí)現(xiàn)了平滑一致的梳狀頻率生成。此外，該裝置使用一個(gè)簡(jiǎn)單、自由運(yùn)行的分布式反饋激光二極管進(jìn)行操作，因此比同類的克爾孤子裝置更易于使用。

新型梳狀信號(hào)發(fā)生器的超寬帶跨度（覆蓋 450 納米）超過了當(dāng)前電光梳狀頻率技術(shù)的極限。它能在 90% 的自由光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，無需復(fù)雜的調(diào)諧機(jī)制。這種穩(wěn)定性和簡(jiǎn)易性為實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)部署應(yīng)用打開了大門。

這種新設(shè)備可以說是光子學(xué)界的一次范式轉(zhuǎn)變。憑借其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和緊湊的占地面積，它可以影響機(jī)器人等領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域，精確的激光測(cè)距至關(guān)重要；還可以影響環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域，精確的氣體傳感至關(guān)重要。

此外，這種協(xié)同設(shè)計(jì)方法的成功凸顯了微波和光子工程在下一代設(shè)備中的整合潛力。

所有樣品都是在 EPFL 微納技術(shù)中心（CMi）和物理研究所（IPHYS）的無塵室中制作的。LTOI 晶圓是在上海新硅聚合半導(dǎo)體（NSIT）和 SIMIT-CAS 制造的。

相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08354-4