Advanced Photonics综述：芯片上的光学频率梳

来源：中国激光

Weiqiang Wang, Leiran Wang, Wenfu Zhang. Advances in soliton microcomb generation[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(3): 034001

光学频率梳彻底改变了光学频率计量技术，可以直接链接光学与微波频率…突破了时间与频率计量能力的极限，为基础物理测量提供新的手段。

 “Optical frequency combs… have revolutionized the art of counting the frequency of light. They can link optical and microwave frequencies in a single step... By extending the limits of time and frequency metrology, they enable new tests of fundamental physics laws.”

Theodor W. Hänsch, 

2005年诺贝尔物理学奖演讲稿

光学频率梳（简称光频梳）是具有确定梳齿间隔及频率的光频标尺，时域上表现为稳定的锁模激光脉冲序列，其发明在激光技术领域及计量科学领域具有里程碑式重要意义。

光频梳不仅是优良的多波长相干光源，而且相邻梳齿间频率的差值严格相等，类似于一把刻度为光学频率并极其精细的“光尺”，在光学原子钟、超精细光谱分析、超高速光通信、高精度绝对测距、类地星体/系外生命探测等方面呈现出显著的技术优势和广阔的应用前景。

传统光频梳通常基于固体或光纤锁模激光器实现，受体积、重量、功耗以及成本的制约，大部分仍然是实验室级别的基础研究设备。集成化与芯片化（如图1）可以促使光频梳走出实验室，充分发挥其在精密测量应用潜力。

图1 封装后的集成微腔芯片

中国科学院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室张文富研究团队对基于光学芯片的低噪态微腔孤子频梳最新研究进展进行了详细综述。该论文发表于Advanced Photonics 2020年第3期。

随着微纳加工工艺的发展，目前已经可以制作出高品质因子、色散可控的微谐振腔，其超强的光场局限能力以及极高的非线性系数，为光频梳技术集成化发展提供了新的可能。

图2 集成微腔孤子光频梳产生

然而，由于微腔内能量密度极高，热效应显著，泵浦频率无法与微腔自身谐振频率保持锁定（即两者“失谐”）；同时现实应用要求光频梳具有低噪声与高相干性（即实现“孤子态”）。而在实际应用中，微纳尺度波导中存在强非线性过程，导致光场在色散、增益-损耗及光-热效应共同影响下出现极其复杂、难以控制的演变，使得稳定的微腔孤子频梳产生十分困难。

为了实现微腔孤子频梳，需要将泵浦激光的中心频率与动态变化的微腔谐振频率牢牢地“绑定”在一起。在实际操作中，可以通过让泵浦频率扫描更快、追上谐振频率的漂移速度；也可以将微腔进行冷却、让其谐振峰去主动贴近泵浦激光；或者请另一束激光帮忙、对腔内能量“多退少补”。而不同材料微腔的热效应不同，因此需要不同的锁定技术。

目前，研究者们针对不同材料平台的特性，通过采用对泵浦频率快速扫描、对微腔芯片进行温度调谐、对泵浦功率与频率同时精密调控，以及引入辅助激光对腔内热效应进行平衡等多种方法，已经在SiO2、SiN、Si、SiON、MgF2、CaF2、AlN、LiNO3等多种类型的微腔中成功实现了低噪声孤子频梳的可控产生，观测到了单孤子、孤子晶体、Stokes孤子、呼吸孤子、孤子分子、暗孤子等多种多样的不同形态，并在此基础之上开展了太比特高速相干通信、赫兹级分辨率分子光谱探测、纳米级精度长程测距、高速率量子秘钥分发等概念型应用探索与验证。

图3 微腔孤子光频梳在不同领域的应用

这些研究不仅揭示了微腔中更丰富的光学现象与更深层的非线性动力学过程，也是“推动具备革命性的频率计量与合成能力的光频梳技术向芯片化发展的重要步骤”，并为集成微腔光频梳在高精度测量方面的应用奠定了基础。