集成光频梳：芯片化光源的新一代技术

中科院半导体所 2022-03-15 18:00

文章来源 | 中国光学

‍撰稿 | 陈玉君张绪光

光学频率梳（Optical Frequency Comb，简称 OFC）是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。随着新一代信息技术的飞速发展，OFC 由于其在光通信、传感、计算和原子钟等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注，成为光子学近几十年最活跃的领域之一，为基础科学和商业环境中的现代技术进步作出了突出贡献。

近日，来自美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的常林（目前已入职北大担任博士生导师）、刘松涛（目前任职于 Intel）与约翰·鲍尔斯（John Bowers）教授因在这一领域的突出贡献，受邀撰文解读了 OFC 技术的历史、发展现状和未来前景。相关论文以 Integrated optical frequency comb technologies（集成光频梳技术）为题发表在 Nature Photonics。

该文章全面总结分析了集成光学中产生光频梳的不同方案，总结了光频梳在集成光路（photonic integrated circuits，简称 PICs）中的研究进展，并提出了将先进的光频梳系统从实验室向生活实际应用转移的路线图。

图1：集成化光频梳示意图

文章中提到，得益于光子芯片技术的不断进步，近年来 OFC 的芯片化取得了重要的进展，其应用场景变得更为广阔。目前，OFC 已在光计算、激光雷达、生物医疗等领域实现了重大突破。OFC 所具有的多波长并行的优势，颠覆了传统的计算与传感的系统架构，带来了系统信息处理速度上的巨大提升。

但是传统集成光学技术中相对单一的材料严重制约了集成光学的功能实现。由于不同的材料体系在光子芯片中发挥着不同的重要功能，OFC 乃至于整个光子芯片技术发展的关键是多材料体系的集成技术。围绕这一关键问题，常林与团队在过去几年里研发了一系列多材料体系集成的核心技术，如超低损耗的三五族半导体[1](Nature Communications 2020)、氮化硅的光子芯片平台[2](Nature Photonics 2021)、多材料体系的先进系统封装[3]，[4](Nature 2018, Nature 2020) 以及在晶圆级别的集成[5] (Science 2021)，并推出世界首个 200nm 晶圆微腔光谱梳并达成量产[2](Nature Photonics 2021) 等，将光频梳这一技术从实验室推进到了产业化时代。

一、光频梳器件的集成方案

当前集成 OFC 器件主要分为集成半导体锁模激光器和集成非线性光频梳器件。

半导体锁模激光器的集成化方案是片上 Ⅲ-Ⅴ 族半导体激光器的实现；集成非线性光频梳的小型化集成方案主要依赖于低损耗、高非线性集成光学平台，如绝缘体上的化合物半导体、氮化硅、铌酸锂等。

这两种器件的根本区别在于泵浦方式的不同。锁模激光器的泵浦方式是直接电泵，非线性光频梳器件是通过光泵实现的。

半导体锁模激光器首先是由激光器直接产生多个波长的光，接着通过激光器内部的一些效应实现波长之间的相互锁定，包括可饱和吸收等。而非线性光频梳器件一般是由光学泵浦通过非线性的效应产生新的频率，如克尔效应、电光效应、二阶非线性效应等。非线性光频梳的器件形态一般为微腔或波导。

因为集成半导体锁模激光器所用到的光学激光器发展相对较早，集成半导体锁模激光器的发展早于集成非线性器件。非线性器件的实现依赖低损高非线性的平台，在 21 世纪之后开始逐渐出现，直到最近几年才发展起来。这些最新的进展受益于在集成光子学平台中对波导模式的强约束和对波导几何形状的精确控制除了紧凑性和可扩展性外，与早期的基于光纤或非线性晶体的方法相比，精密的制造技术让基于芯片的非线性频率梳器件在设计上具有更大的灵活性。

图2：片上光频梳的技术发展历史

二、关键指标和属性

集成的 OFC 为不同的应用提供了一个多功能工具箱，在光梳性能的各个方面提供了不同的优化方案。为了实现不同的目的，可以通过仔细考虑光梳的类型和具体的参数来优化设计。综述总结了已有的OFC工作进展和部分性能参数，及其他的一些基本属性。

性能参数包括频梳和泵浦类型、重复频率和梳距、输出功率和转换效率、以及光学和微波噪声等，此外，可重构性、可靠性和可扩展性也是衡量光频梳的重点。

目前，OFC 技术已在集成光学领域取得了显著的成就，在不同的平台上实现了片上光频梳的产生，其性能甚至可与传统体材料或基于光纤的光频梳相比。虽然 OFC 技术具有明确的价值和非比寻常的重要性，但由于它们通常依靠体积庞大、耗电量大、价格昂贵的设备来产生、控制和操纵光频梳，因此现在依然主要在实验室中实现。

而集成光学通过利用现代制造基础设施，在降低系统尺寸、重量、功耗和成本方面具有巨大优势。此外，集成光学在过去 20 年中蓬勃发展，尤其是基于硅的集成光学，这使得应用先进光刻和纳米制造技术来生产 OFC 器件的愿景成为可能。

三、集成光频梳面临的挑战和展望

综述中提到，要想使 OFC 器件真正发挥大作用，须将其集成到集成光路中，从而加快从研究室实验转向消费者应用的进程，并迈向自动驾驶、5G/6G 通信和机器学习等诸多新兴技术领域。

该团队在综述中展示了他们利用多材料集成的实例，其将磷化铟、砷化镓、硅、氮化硅等一系列材料融入集成光路中，以实现集成光频合成器。由于不同的材料体系在集成光路中起着不同的作用，采用多材料体系集成的方式可以在集成光路中发挥最大优势，从而在系统层面带来最优的性能。对于集成光路技术来说，微纳制造工艺和材料科学发展都严重制约着其产品化，集成 OFC 器件也面临同样的问题。为了让这些不同的材料体系在集成光路中发挥作用，单片集成、异质集成、混合集成等多种先进集成方式的应用是集成 OFC 器件的发展方向。

文章认为，对于这一系列的发展来说，目前最为重要的指标是光频梳的输出功率，其直接决定了系统中信号的质量。对于通信及一些对线宽和波长数要求不严格的应用来说，锁模激光器会是先被使用的方案，其在产品成熟度以及功率上有很大优势；而对于有更高相干性和更多梳齿数需求的应用来言，基于非线性的频梳长期来看有着很大的潜力，其在线宽和光谱范围上有更好的表现。

图3：集成光频合成器系统

在文章最后提到，在商业应用领域，晶圆级生产的集成 OFC 技术的第一个广泛应用可能出现在用于数据中心和高性能计算的密集波分复用光互连中。光频梳、光学收发机和微电子技术的集成将使数据链路具有前所未有的带宽密度、效率和覆盖范围。

一方面，利用其梳齿相干的特性，过去昂贵的精密测量系统将有望实现小型化，包括光原子钟和光谱仪等。另一方面，通过多波长的并行能力，基于光子芯片的光计算有望实现计算速度上多个数量级的提升。此外，传感领域更为广大的市场来自于激光雷达。通过光频梳所实现的并行激光雷达体系，将大大提升系统的采样速率，降低硬件成本，从而解决自动驾驶领域长期以来在探测方面的瓶颈。

在短短几十年的时间里，集成的 OFC 解决了许多困难的技术问题，展望未来，当集成系统能够成熟地适应更大跨度的光频梳并达到更高级别的复杂度时，高精度计时和频率合成将迎来一个巨大的市场，推动数据传输、传感、计量和基础科学领域的新一代新兴技术的发展。

论文信息

L. Chang, S. Liu, and J. E. Bowers, "Integrated optical frequency comb technologies,"Nature Photonics 16(2), 95–108 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00945-1

参考文献

1. L. Chang, W. Xie, H. Shu, Q. F. Yang, B. Shen, A. Boes, J. D. Peters, W. Jin, C. Xiang, S. Liu, G. Moille, S. P. Yu, X. Wang, K. Srinivasan, S. B. Papp, K. Vahala, and J. E. Bowers, "Ultra-efficient frequency comb generation in AlGaAs-on-insulator microresonators,"Nature Communications 11, 1331- (2020).

2. W. Jin, Q. F. Yang, L. Chang, B. Shen, H. Wang, M. A. Leal, L. Wu, M. Gao, A. Feshali, M. Paniccia, K. J. Vahala, and J. E. Bowers, "Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators," Nature Photonics 15(5), 346–353 (2021).

3. B. Shen, L. Chang, J. Liu, H. Wang, Q. F. Yang, C. Xiang, R. N. Wang, J. He, T. Liu, W. Xie, J. Guo, D. Kinghorn, L. Wu, Q. X. Ji, T. J. Kippenberg, K. Vahala, and J. E. Bowers, "Integrated turnkey soliton microcombs," Nature 582(7812), 365–369 (2020).

4. D. T. Spencer, T. Drake, T. C. Briles, J. Stone, L. C. Sinclair, C. Fredrick, Q. Li, D. Westly, B. R. Ilic, A. Bluestone, N. Volet, T. Komljenovic, L. Chang, S. H. Lee, D. Y. Oh, M.-G. G. Suh, K. Y. Yang, M. H. P. Pfeiffer, T. J. Kippenberg, E. Norberg, L. Theogarajan, K. Vahala, N. R. Newbury, K. Srinivasan, J. E. Bowers, S. A. Diddams, and S. B. Papp, "An optical-frequency synthesizer using integrated photonics," Nature 557(7703), 81–85 (2018).

5. C. Xiang, J. Liu, J. Guo, L. Chang, R. N. Wang, W. Weng, J. Peters, W. Xie, Z. Zhang, J. Riemenberger, J. Selvidge, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, "Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon," Science 373(6550), 99–103 (2021).

编辑 | 赵阳

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