3分钟了解集成电光频率梳

1. 华中科技大学 武汉光电国家研究中心

2. 湖北光谷实验室

锁模激光器是用于光频梳产生的初始平台。当多纵模激光器稳定运行工作时，谐振腔内存在多个循环往复的脉冲，光在腔内的往返时间决定了脉冲间隔。对脉冲串进行傅里叶变换，相应频域上会出现一系列等间隔的频率成分，即光频梳。锁模激光器能够产生高功率宽带光频梳，但梳齿间隔通常难以调谐，同时系统相对复杂。

利用光学微腔同样能够产生光频梳，该方法一般采用单模激光与微腔耦合以激发微腔中的非线性效应。克尔微腔光频梳可具有较宽的光谱、良好的相干性、高集成度，是构建光电集成芯片的重要部分。但克尔光频梳形成机理较为复杂，实现孤子光频梳还需要精细的频率调谐手段，且梳齿间隔受制于微腔结构，难以有效调谐。图1给出了用于光频梳产生的典型锁模激光器与克尔微腔结构。

电光梳由于其频率间隔可调、梳齿功率较高、可实现微波到光波的转换等优势，得到了充分发展。但传统电光梳产生器件体积较大、功耗较高，这限制了其进一步应用。

随着微纳加工技术的不断发展，越来越多的光电器件能够在集成光学平台上实现，而集成电光梳器件由于其优异的性能及功耗低、体积小等诸多优势，成为光电集成芯片中的重要器件，引起了研究人员的极大兴趣。图2展示了一种集成电光梳产生器件。目前，集成电光梳已在多个材料平台上实现，如铌酸锂、磷化铟、硅基等，且能基于不同调制结构产生，如单个相位调制器、多调制器级联等。

随着近年来微纳加工技术的不断发展，应用于硅薄膜的Smart-cut技术逐渐适用于铌酸锂平台，能够获得高性能的铌酸锂薄膜（Lithium niobite on insulator，LNOI），使得电光梳能够实现片上集成化，从而达到低功耗、小型化的要求。图3展示了制作铌酸锂薄膜的Smart-cut工艺流程。

目前，性能优异的电光梳已基于LNOI平台实现，如基于微环谐振腔与相位调制器的电光梳、基于法布里-珀罗谐振腔（Fabry–Pérot cavity，FP腔）的电光梳、平顶电光梳、中红外电光梳等，这些电光梳具有可调谐性、驱动电压小、光谱宽、光谱平坦等优势。

Andriolli等人实现了首个基于InP级联调制器的集成电光梳产生器件，该器件具有5 dB/cm的波导损耗和极高的集成度，在4.5 mm×2.5 mm的芯片上集成了DBR激光器、强度调制器、两个相位调制器及光放大器，如图4所示。

硅材料作为O_h点群材料中的一员，具有反演对称性，在偶极近似条件下，其二阶非线性极化张量为零，即硅不具有包括倍频、差频及线性电光效应在内的二阶非线性光学效应，这限制了硅基电光调制器的发展应用。

研究人员发现，通过对硅施加电场可以打破硅的反演对称性，从而使其具有场致倍频效应。进一步研究表明硅材料表面的内建电场还能令硅产生包括线性电光效应在内的其它二阶非线性光学效应，使得基于SOI平台实现电光梳成为可能。

目前SOI平台上已实现了性能优异的电光梳，且在光通信、微波光子学及双光梳探测等领域获得了广泛应用。如基于PIN相位调制器的平坦宽带电光梳、基于微环谐振腔调制器(Microring resonator modulator，MRM) 的平顶电光梳、基于级联MZM的集成电光梳等，可应用于波分复用系统中（Wavelength Division Multiplexing，WDM）。图5给出了基于级联MZM的集成电光梳产生器件的示意图。

光频梳中的梳齿等间距分布，且具有良好的相干性，是WDM系统中的理想多波长源，在大容量光通信中存在巨大的应用潜力。集成光频梳由于其性能优异、集成度高、功耗低等优势，被认为是未来光通信中的重要技术，目前研究人员利用集成电光梳已实现了大容量、宽带宽及多波段的光通信应用。

随着集成光频梳的快速发展，双光梳光谱探测系统的体积、功耗及信噪比等指标参数都得到了显著提升。集成电光梳的可调谐性及频率间隔小等特点，能进一步改善双光谱探测的分辨率与灵活度，因此集成电光梳也成为了当下该领域的研究热点。

1）基于InP平台虽然能够实现激光器、调制器、光放大器等多种器件集成，但基于InP平台的电光梳梳齿功率仍较低，存在提升空间；

2）基于SOI平台的电光梳具有良好的平坦度，但尚未实现多梳齿光梳，且目前同样无法实现片上集成的高功率电光梳；

3）基于LNOI平台已实现了高性能的片上电光梳，是当前构建集成电光梳的理想平台，有望进一步在LNOI平台上集成多种光电器件，得到集成度更高的电光梳产生系统以应用于复杂多变的外部环境。同时，随着异质集成技术的不断发展，集成电光梳有望基于多材料平台实现，这将进一步拓展集成电光梳的功能和应用领域。