Advanced Photonics | 最精密的标尺：微腔光频梳的产生与应用

标尺是我们认识和丈量世界的最基本工具之一，精确的度量能够帮助人们更加准确的实施生产、理解规律，而光频梳就是这种精密的度量工具。日常使用的直尺上总会有一条条周期性间隔的刻度，光频梳作为标尺，同样也具有这样的规律：它在时序上会形成一个个等间隔周期性的脉冲；在频域上也会形成一条条等间隔的谱线。换句话说，光频梳就是时序/频域上的标尺，它是由一系列等间隔频率成分混合而成的脉冲激光。

光频梳凭借其极具特色的技术特点，如今在超精密测距、光钟、物质检测以及相干通信等领域不断拓展。近日，清华大学孙洪波教授、白本锋副教授和李杨副教授课题组受邀撰写了综述文章Silicon nitride-based Kerr frequency combs and applications in metrology，阐述了克尔频率梳的物理原理，介绍了基于LLE模拟的材料制备平台、工艺以及测量调优方法，展示了克尔频率梳在光谱学、测距和定时方面的应用，并对氮化硅基克尔频率梳的发展前景进行了展望。该综述发表在Advanced Photonics 2022年第6期。

微腔光频梳的产生基于四波混频（FWM）效应，该现象与光学克尔效应相关，因此通常也被称作克尔梳。当满足泵浦光与微腔谐振模耦合、腔内功率超过阈值以及相位匹配条件时，FWM过程将会在微腔中产生。如图3所示，这个过程的第一步是两个频率相同的光子（泵浦光）依据能量守恒，转变成为另两个频率不同的光子（即分裂成两个侧模）。当该进程达到一定阈值时，两个侧模会继续发生分裂，出现级联FWM进程，直到达到平衡状态，产生微腔的所有谐振模式——等间隔的光频梳就这样诞生了。因此光频梳的重复频率（间隔）则完全由微腔自由光谱范围（FSR）决定，而那些由FWM产生的非谐振模式会因失谐而迅速衰减消失。

谐振腔的腔长决定了“梳齿”的间隙，而光频梳的质量与跨度则取决于谐振腔的Q值与色散。因此，一个标准的亮孤子微腔克尔梳材料通常需要满足以下3个条件：首先，材料需要在梳状光谱中表现出较低的吸收损耗；其次，材料的激光损伤阈值需要高于产生克尔频梳的阈值；第三，由材料加工成的微腔需要在梳状光谱区表现出反常色散效应。此外还可以通过优化加工工艺来进一步提升微环谐振腔的良率与品质，比如针对SiN微腔，人们设计出一种光子大马士革工艺，结合化学机械抛光，可以高效获得超光滑的侧壁和表面，降低光学微腔散射损耗，并可防止由应力产生的裂纹对微腔的损坏。

作为一种超低相位噪声、高相干、宽带飞秒脉冲源，克尔频率梳极大提高了各种计量技术的性能。如今，基于自注入锁定技术的孤子微腔光频梳更是打破了人们对光频梳启动复杂，稳定性差的固有印象。它无需繁复的启动步骤，只需打开激光器的开关，就能自动寻找锁模状态并保持稳定运行，凭借其快速启动的优势，被称为“启钥”（Turnkey）。“启钥”光频梳具有极高的稳定性、可重复性，且无需外界反馈控制，是集成光梳芯片理想的操作模式。尤其在结合CMOS工艺的条件下，基于光子芯片的“启钥”光频梳正成为一项核心技术，在精密光谱测量、光学频率合成器、大容量光通讯以及激光雷达等领域有着巨大的应用前景。

在物质检测以及精密光谱测量领域，光频率梳具有光谱范围宽、分辨率高、灵敏度高、测量速度快等特点。其中最具代表性的是基于双梳系统的光谱仪，如图4所示，双梳系统采用两个重复频率差异很小的梳状光源：Comb 1作为探测源，Comb2作为采样源，当这两束光束在空间域和时间重叠时，就会产生干涉图样（拍频信号）。与傅里叶变换光谱仪相比，芯片级规模的双梳光谱仪更加紧凑且无需机械扫描，尽管较小的微腔尺寸对应较大的FSR，导致光谱分辨率较低，但通过一定的采样和调制方法可以改善这一问题（延长检测时间）。总体来说，芯片级双梳光谱仪既可以通过将梳线与该物质的吸收峰相匹配实现特定物质检测，也可以通过增加测量时间实现高分辨率光谱测量。

双梳系统在测距和激光雷达领域同样能够大放异彩。在测距场景中，通过光电探测器采集双梳系统的拍频信号就可以解算出距离信息。在实际应用中，基于双梳系统的测距仪还需要一个参考对象来确定基准距，通过双梳系统拍频信号的相位差获取绝对距离。在激光雷达领域，对光频梳施加频率调制以及空间调制，使光频梳的每根梳齿成为特定空间角度的测距通道，最后通过综合解算不同空间角度回波信号与参考信号的频率差，实现对不同空间角度的距离信息的同时提取。在激光雷达应用中也会利用双梳系统提高信号检测效率和稳定性，额外采用一个重频差异很小的克尔梳实现多外差检测。