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Light | 宽带量子点频率调制光频梳

撰稿 | 课题组撰稿
 
导读
近日，来自美国加州大学圣塔芭芭拉分校的 John Bowers 教授团队提出了一种新型量子点锁模激光器，可以实现幅度调制光频梳和频率调制光频梳的独立输出。该光频梳方案的调频模式输出可以实现高至 2.2 太赫兹的 3-dB 光学带宽及低至 495 飞秒的光学脉宽。此外，该团队创新性地提出量子点激光器中的光学克尔效应可被用于提升光学带宽达到两倍以上。该方案可以有效弥补波导色散的负面影响，有助于降低光频梳集成过程中的工艺难度。该工作有助于显著降低集成密集波分复用系统的能耗及成本，已得到美国 DARPA PIPES 项目的支持与资助。
研究背景
光学频率梳是当今激光与时间频率学科的前沿技术。其输出特性为频谱上的一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量。随着新一代信息技术的高速发展，光频梳凭借其超大光学带宽特性被广泛应用于光通信，光计算，频率综合器，雷达探测，传感和原子钟等领域。光频梳的发展起源于上世纪60年代发明的锁模激光器。从那时起，学界及工业界对光频梳的理解更多局限于其幅度调制特性，具体表现为频域上不同激光模式间相同而稳定的相位差及时域上的周期性光脉冲（见图1（a）和（c））。为了实现太比特每秒的高速数据传输， 现阶段用于数据中心的密集波分复用系统对高性能的光频梳及微环调制器有较高需求。该系统的一大挑战是微环调制器的工作稳定性。目前的微环调制器对工作环境和温度较为敏感，传统调幅光频梳的高强度脉冲输出会引发微环调制器内部的热效应从而造成其不稳定。该系统的另一大挑战是整体的能耗，而其中光源及冷却系统的能耗最为突出。如何降低激光脉冲对微环调制器的负面影响，并提高激光器的电光转化效率及温度稳定性将是系统性能进一步提升的关键。
Light | 宽带量子点频率调制光频梳
图1. （a）调幅光频梳（AM comb）的光谱。由于幅度调制作用，光谱呈类高斯分布。（b）调频光频梳（FM comb）的光谱。频率调制使得激光器显示出平整的宽带光谱。（c）调幅光频梳在时域上显示为周期性的光学脉冲。（d）调频光频梳在时域上显示为周期性的类连续波。
 
用于中红外波段的量子级联激光器显示出了频率调制光频梳的特性。有别于传统的调幅光频梳，新兴的调频光频梳的激光模式间的相位差不再是相同的，而是随着模式的光学频率呈线性变化趋势（见图2（c））。其输出特性表现为频域上平整的宽带光谱及时域上的类连续波（见图1（b）和（d））。决定激光器调制模式的关键在于增益材料。由于可饱和吸收体的存在，调幅光频梳的产生需要增益材料内载流子的恢复速度显著慢于可饱和吸收体的恢复速度，从而打开周期性的净增益窗口以实现幅度调制。而调频光频梳的形成机制却正好相反，增益介质内的载流子恢复速度要足够快才能产生足够的光学非线性以实现频率调制。正是因为两种调制模式相悖的产生机制，调幅光频梳多存在于载流子带间跃迁的量子阱激光器，而调频光频梳多存在于载流子带内跃迁的量子级联激光器。
得益于其类连续波输出特性，调频光频梳自发现伊始便引起学界及业界的广泛关注。然而量子级联激光器无法被直接应用于光纤通信波段，故调频光频梳在该波段的开发尚属起步阶段。近年来，调频光频梳现象陆续在量子阱和量子点激光器中观测到，然而其产生机制尚不明确。此外，该类型激光器中的调幅与调频模式也多存在竞争关系。由于二者产生机制的不同，在此之前学界多认为不同调制模式的输出仰赖于特殊的激光器结构设计甚至增益材料的选择。目前学界还欠缺对上述问题的系统性研究，也缺乏有效的技术手段进行性能优化以满足业界需求。
研究创新
本文团队创新性地提出以量子点激光器作为光纤通信波段内的调频光频梳解决方案。不仅如此，该团队还突破性地实现了调幅与调频光频梳在同一颗激光器内的独立输出，以满足不同的应用场景。得益于载流子三维受限的半导体异质结结构，量子点激光器具备极高的电光转换效率及温度稳定性，是高速光子集成电路的理想光源。值得说明的是，由于量子点结构中离散的能级，载流子既可以进行缓慢的带间跃迁，也可进行快速的带内跃迁，这些过程可由载流子浓度控制。随着泵浦电流的提升，量子点激光器会从一个“慢增益介质”转换成一个“快增益介质”，而这便是调幅与调频光频梳在同一颗激光器内独立输出的基础。相比于量子阱激光器和量子级联激光器，量子点结构的特殊性使其成为高性能双调制模式光频梳的唯一平台。本文显示，在调幅模式下，量子点激光器可实现脉宽低至 1.7 皮秒的光学脉冲（见图1（c））。而在调频模式下，该激光器可输出高至2.2太赫兹的3-dB光学带宽及低至495飞秒的调频脉宽（见图2（b）和（d）），达到量子点锁模激光器的领先水平。在60 GHz 的信道间隔设计下，该激光器可同时提供40条功率接近的信道，可在降低信道间串扰的前提下实现大容量数据传输。
Light | 宽带量子点频率调制光频梳
图2. （a）调频光频梳在光学克尔效应作用下的输出光谱。（b）调频量子点激光器可输出的最大带宽光谱。该激光器的3-dB光学带宽可达12.1纳米（2.2太赫兹）。（c）调频光频梳内模式间相位差随波长变化的分布状态。（d）调频光频梳可输出的最小光学脉宽可达495飞秒。
 
该团队进一步探究了量子点激光器中调频光频梳的产生机理，并创新性地提出利用量子点的光学克尔效应对调频光频梳进行优化。该方案无需对波导色散进行处理，便可将激光器的光学带宽提升两倍以上。在调频模式下，在可饱和吸收体上施加反向电压可以有效地增大激光器的线宽展宽因子从而增强其光学克尔效应（见图3（a））。该效应可以一定程度上弥补波导色散的负面影响进而提升激光器的光学带宽（见图3（b））。重要的是，量子点激光器的克尔效应仅凭可饱和吸收体上的反向偏压便可有效控制而不会增加生产工艺难度。
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图3. （a）量子点锁模激光器的线宽展宽因子可由可饱和吸收体上的反向偏压控制。在“快增益介质”内，光学克尔效应可由线宽展宽因子决定。（b）量子点激光器的波导色散。（c）调幅模式下量子点激光器的四波混频转换效率。（d）调频模式下量子点激光器的四波混频转换效率。
 
最后，本文首度报导了量子点锁模激光器中的四波混频效应，并阐释了如何控制量子点激光器中的四波混频以输出不同模式光频梳。结果显示，在弱泵浦电流作用下，量子点激光器的四波混频效率与量子阱激光器接近，从而可以满足调幅光频梳的产生条件（见图3（c））。而在强泵浦电流作用下，量子点激光器的四波混频效率可被提升15 dB以上以输出调频光频梳（见图3（d））。该结果进一步佐证了量子点增益介质在泵浦的作用下实现了从“慢增益介质”到“快增益介质”的转换。
论文信息
该研究成果以“Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser”为题发表在《Light: Science & Applications》上。Bozhang Dong为本文的第一作者和通讯作者，John E. Bowers为本文的共同通讯作者。
论文地址
‍‍https://www.nature.com/articles/s41377‍-023-01225-z

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