微腔光梳的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用*

金星 肖莘宇 龔旗煌 楊起帆

(北京大學(xué)物理學(xué)院,人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871)

1 引言

電磁波與人類(lèi)的生活密切相關(guān),過(guò)去幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),人類(lèi)對(duì)電磁波的研究和利用推動(dòng)了世界科技的發(fā)展,大大改變了人們的生活方式.微波技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線通信成為現(xiàn)實(shí),改變了人們的溝通方式,也進(jìn)一步促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生,現(xiàn)如今微波已廣泛應(yīng)用于信息傳輸、衛(wèi)星定位和雷達(dá)等領(lǐng)域.不斷進(jìn)步的激光技術(shù)不僅大大豐富了基礎(chǔ)研究的內(nèi)容,使得人們能夠更好地研究光與物質(zhì)的相互作用,催生了量子信息、激光強(qiáng)場(chǎng)物理等一大批前沿學(xué)科,也廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝備制造、醫(yī)學(xué)診斷與治療等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域.然而僅僅在幾十年以前,微波和光波仍舊是兩個(gè)獨(dú)立發(fā)展的領(lǐng)域,光波(百太赫茲數(shù)量級(jí))的振蕩頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微波(兆赫茲到千兆赫茲量級(jí)),這阻礙了它們之間的溝通與聯(lián)系.最早相干鏈接微波和光波的嘗試起源于50年前的“頻率鏈”,即利用一系列的倍頻電路以及倍頻晶體不斷地將電學(xué)參考信號(hào)倍頻到光頻,建立頻率標(biāo)準(zhǔn)鏈接微波與光波[1,2].然而這一系統(tǒng)不僅體積龐大、功耗高,而且造價(jià)高昂,難以大規(guī)模推廣應(yīng)用,直到20年前光學(xué)頻率梳(簡(jiǎn)稱(chēng)光頻梳或者光梳)的出現(xiàn),才很好地解決了微波和光波相干鏈接的問(wèn)題[3,4].

如圖1 所示,光頻梳在頻域上是一系列等頻率間隔的相干譜線,可以類(lèi)比于頻域上的梳子梳齒或尺子的刻度線,在時(shí)域上則是等時(shí)間間隔且相位鎖定的脈沖序列.由于梳齒之間頻率等間隔的關(guān)系,在頻域上光頻梳第m根梳齒的頻率fm可以表示為

圖1 光學(xué)頻率梳簡(jiǎn)介[5,6] (a)光學(xué)頻率梳時(shí)域波形圖,相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔與相位偏移分別對(duì)應(yīng)光梳重頻頻率 fr 與載波偏移頻率 fo ;(b)光頻梳頻譜圖與f-2f 自參考示意圖,第n 根梳齒經(jīng)過(guò)二倍頻后與第2n 根梳齒拍頻即可得到載波偏移頻率 fo ;(c)—(e)鎖模光纖激光器、電光頻梳與微腔光梳示意圖Fig.1.An introduction to optical frequency comb[5,6]: (a)Temporal waveform of optical frequency comb,the time interval and phase shift between adjacent pulses correspond to the repetition rate fr and the carrier frequency offset fo of the optical frequency comb;(b)optical spectra of the optical frequency comb and schematic diagram of f-2f self-reference,the carrier offset frequency fo can be obtained by doubling the frequency of the nth comb line and then beating with the 2n-th comb tooth;(c)schematic diagram of mode-locked fiber laser,electro-optical comb and microcombs.

其中fr為光頻梳的重頻頻率,也對(duì)應(yīng)著時(shí)域上脈沖序列間隔的倒數(shù).而fo則稱(chēng)為載波偏移頻率,對(duì)應(yīng)著相鄰脈沖的相位差,是由于脈沖傳播的群速度和相速度不匹配導(dǎo)致的[5].從(1)式可以看出,光頻梳的標(biāo)定需要精密測(cè)量fr和fo兩個(gè)參數(shù).fr的測(cè)量較為簡(jiǎn)單,只需將光頻梳耦合到光電探測(cè)器上即可得到梳齒之間的拍頻信號(hào),用電子儀器精密測(cè)量即可得到重頻頻率.fo的測(cè)量則較為復(fù)雜,需要利用f-2f自參考法[5],即將光梳的第n根梳齒經(jīng)過(guò)倍頻晶體倍頻,隨后與第2n根梳齒拍頻即可得到fo,從上述測(cè)量過(guò)程可以看出fo的測(cè)量需要光梳譜寬跨倍頻程(即譜線最大頻率至少是最小頻率的2 倍).

由于fr和fo一般都在微波波段,而光梳梳齒頻率則在光波波段,因此光頻梳建立了微波和光波相干鏈接的橋梁[6].光頻梳使得光頻的精密測(cè)量成為可能,只需利用光譜儀或波長(zhǎng)計(jì)粗測(cè)激光頻率,再將待測(cè)激光與光頻梳一起耦合到光電探測(cè)器上探測(cè)待測(cè)激光與最鄰近梳齒的拍頻,即可推算出待測(cè)激光的精確頻率[7,8].將光頻梳的重頻和載波偏移頻率鎖定在微波源上可以完成任意頻率的光學(xué)頻率合成[9,10];將光頻梳鎖定在超穩(wěn)激光上可以將超穩(wěn)激光的穩(wěn)定性傳遞到光梳重頻上,完成光學(xué)頻率分頻;此外,鎖定后的光頻梳還可以相干地聯(lián)系光譜范圍內(nèi)所有光波[11–13].由于光頻梳的重要研究?jī)r(jià)值及其在精密測(cè)量方面的應(yīng)用成果,這一領(lǐng)域的兩位重要開(kāi)拓者德國(guó)馬克斯普朗克研究所的T.Hansch 和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的J.Hall 獲得了2005年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[14,15].

光學(xué)頻率梳最早產(chǎn)生于鎖模激光器系統(tǒng)[16–18],早期的鎖模激光器采用的是體光學(xué)元件,系統(tǒng)復(fù)雜,體積龐大,基本僅限于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用.而近年來(lái)光纖激光器的發(fā)展則大大減小了系統(tǒng)體積,然而光纖腔一般自由光譜范圍較小,產(chǎn)生的光梳重頻范圍也較小,且在能耗、價(jià)格方面也存在局限性.除此之外,還可以通過(guò)相位調(diào)制器產(chǎn)生光頻梳,即利用多個(gè)電光調(diào)制器級(jí)聯(lián)調(diào)制一束激光的相位與振幅產(chǎn)生一系列等頻率間隔的邊帶形成光梳,這一光梳被稱(chēng)為電光頻梳[19,20],電光頻梳一般具有良好的頻譜平坦性,但其頻譜范圍較窄且需要高功率微波驅(qū)動(dòng),整體造價(jià)也較為高昂.微腔光梳則是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一種光頻梳,如圖2 所示,它是通過(guò)連續(xù)激光泵浦高品質(zhì)因子(Q值)光學(xué)微腔而產(chǎn)生的,在頻域上是利用四波混頻的非線性效應(yīng)產(chǎn)生等間隔邊帶,而在時(shí)域上則是由于增益與損耗、色散和非線性雙重平衡形成光孤子而達(dá)到鎖模[21,22].微腔光梳既可在反常群速度色散微腔中產(chǎn)生,也可在正常群速度色散微腔中產(chǎn)生,前者被稱(chēng)為亮孤子光梳[23],后者則被稱(chēng)為暗脈沖或者平頂孤子光梳[24–26],其時(shí)域波形如圖2(d)所示.微腔光梳的誕生使得產(chǎn)生光梳可以在芯片級(jí)的尺度上完成,同時(shí)降低了產(chǎn)生光梳所需的功耗,由于集成微腔的制備與現(xiàn)有的CMOS 技術(shù)兼容,非常適合大規(guī)模制備,因此微腔光梳具有很大的應(yīng)用潛力與市場(chǎng)前景,目前吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大興趣.

圖2 微腔光梳產(chǎn)生的裝置和原理圖[21,22,24] (a)產(chǎn)生微腔光梳的實(shí)驗(yàn)裝置圖,連續(xù)可調(diào)激光經(jīng)過(guò)放大器放大后泵浦微腔產(chǎn)生光梳,同時(shí)用光電探測(cè)器探測(cè)拍頻信號(hào);(b)微腔光梳產(chǎn)生的頻域原理圖,泵浦激光經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)并和非簡(jiǎn)并四波混頻產(chǎn)生一系列等間隔的邊帶;(c)孤子鎖模原理圖,孤子脈沖由于增益與損耗,色散和非線性之間的雙重平衡而保持穩(wěn)態(tài);(d)亮孤子(左)和暗脈沖(右)的時(shí)域波形圖Fig.2.The device and schematic diagram of microcombs generation[21,22,24]: (a)Experimental setup for generating microcombs,tunable continuously laser pumps the microresonators to generate microcombs,at the same time,a photodetector is used to detect the beat frequency signal;(b)schematic diagram for microcombs generation in frequency domain,the pump laser produces a series of equally spaced sidebands through degenerate and non-degenerate four-wave mixing process;(c)schematic diagram of soliton modelocking,the soliton pulse remains stable due to a double balance between gain and loss,dispersion and nonlinearity;(d)temporal waveform of bright soliton (left)and dark pulse (right).

2 微腔光梳的產(chǎn)生

微腔光梳的產(chǎn)生歷史可以追溯到2004年,人們用激光泵浦高品質(zhì)光學(xué)微腔產(chǎn)生了光學(xué)參量振蕩現(xiàn)象[27,28],然而由于僅產(chǎn)生了少數(shù)幾根邊帶,難以稱(chēng)為光梳.2007年,Kippenberg 課題組[29]在微腔中泵浦產(chǎn)生了數(shù)十根等頻率間隔邊帶,微腔光梳才初見(jiàn)端倪,但此時(shí)的光梳并未達(dá)到鎖模.一直到2013年,Kippenberg 組的Herr 等[23]使用快速掃描激光頻率的方法在高品質(zhì)因子MgF2微腔中產(chǎn)生了孤子脈沖,才得到了鎖模的微腔光梳.微腔光梳產(chǎn)生的理論模型可以用Lugiato-Lefever 方程(Lugiato-Lefever equation,LLE)描述:

其中A為群速度參考系下的腔內(nèi)脈沖包絡(luò),D2和κ分別表示微腔的二階色散和耗散,g為微腔的克爾非線性系數(shù),δω表示泵浦模式和泵浦激光的失諧,f則是泵浦項(xiàng).基于這個(gè)方程,可以對(duì)孤子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行理論分析以及數(shù)值仿真.對(duì)于亮孤子光梳已經(jīng)有較為完備的理論解:

其中φ為孤子與泵浦背景場(chǎng)的相位差,由(3)式可以看到,亮孤子的高度由失諧決定,脈寬由微腔色散和失諧共同決定,在失諧較大和微腔色散較小的情況下,孤子脈沖寬度更窄,對(duì)應(yīng)的頻譜范圍也越大.對(duì)于暗脈沖光梳,目前則缺乏很好的理論解析解,更多借助數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行研究.

微腔光梳產(chǎn)生的具體過(guò)程如圖3(a)所示[23,30],在泵浦激光從腔模的藍(lán)失諧向紅失諧掃頻過(guò)程中,首先會(huì)進(jìn)入“初級(jí)梳”,其頻譜圖和時(shí)域波形如圖3(b)第一個(gè)態(tài)所示.隨后光譜會(huì)不斷展寬,同時(shí)時(shí)域波形發(fā)生劇烈變化,對(duì)應(yīng)腔內(nèi)功率也會(huì)有較大的擾動(dòng),系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)制不穩(wěn)定或者混沌態(tài).隨著掃頻的繼續(xù)進(jìn)行,腔內(nèi)功率會(huì)陡降并呈現(xiàn)臺(tái)階狀變化,此時(shí)標(biāo)志著進(jìn)入孤子態(tài).系統(tǒng)從混沌態(tài)進(jìn)入孤子態(tài)產(chǎn)生的孤子數(shù)量是隨機(jī)的,腔內(nèi)功率臺(tái)階狀變化對(duì)應(yīng)的則是掃頻過(guò)程中孤子湮滅的過(guò)程.繼續(xù)掃頻,孤子最終會(huì)由于失諧過(guò)大而消失,孤子臺(tái)階的長(zhǎng)度與泵浦功率密切相關(guān).

圖3 微腔光梳的產(chǎn)生過(guò)程[23,33,40] (a)泵浦激光由腔模藍(lán)失諧向紅失諧掃頻過(guò)程中腔內(nèi)光場(chǎng)總功率演化過(guò)程,不同顏色區(qū)域代表腔內(nèi)光場(chǎng)處于不同的態(tài),其中綠色區(qū)域?yàn)楣伦哟嬖趨^(qū)域,黃色為呼吸子區(qū)域,紅色區(qū)域孤子不能存在;(b)圖(a)中標(biāo)注的不同狀態(tài)區(qū)域腔內(nèi)光場(chǎng)分布及對(duì)應(yīng)光譜圖;(c)“功率踢”方法產(chǎn)生孤子光梳激光器頻率與功率、光梳功率以及激光與腔模失諧時(shí)序變化圖;(d)熱輔助激光穩(wěn)定微腔溫度原理圖;(e)反向掃頻方法產(chǎn)生單孤子光梳原理示意圖Fig.3.Generation process of microcombs[23,33,40]: (a)The intracavity power’s evolution process during pump laser frequency scanning from the blue to red detuning of the cavity mode,various color regions represent different states of the optical field within the cavity,the green region is the solitons-exiting region,the yellow region is the breathers’ region,and the red region is the region where solitons cannot exist;(b)temporal intracavity power and optical power spectra of different state regions marked in Fig.(a);(c)timing series of the pump laser frequency and power,optical frequency comb power and the detuning between the pump laser and cavity mode in power kick method;(d)schematic diagram of thermal assisted laser stabilizing temperature of the microresonator;(e)schematic diagram of generating single-soliton optical frequency comb by backward tuning method.

然而實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生穩(wěn)定的孤子態(tài)卻并非易事,主要的困難在于存在熱效應(yīng)的影響.在掃頻過(guò)程中隨著腔內(nèi)功率增大,微腔的溫度也隨之升高,由于制備微腔的大部分材料平臺(tái)都具有正的熱折變系數(shù),因此腔模會(huì)發(fā)生紅移,在此過(guò)程中激光頻率將會(huì)不斷追逐腔模,形成一個(gè)三角形形狀的透射譜[31].但當(dāng)系統(tǒng)從混沌態(tài)進(jìn)入到孤子態(tài)過(guò)程中,腔內(nèi)功率將會(huì)陡降,與此同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致腔模迅速藍(lán)移,激光和腔模之間的失諧迅速增大,由于孤子臺(tái)階長(zhǎng)度有限,陡然增大的失諧會(huì)使系統(tǒng)脫離臺(tái)階,因此系統(tǒng)很難穩(wěn)定地達(dá)到孤子態(tài).

實(shí)驗(yàn)上要克服熱效應(yīng)的影響通常采用以下幾種方法.對(duì)于熱效應(yīng)不怎么顯著的微腔,可以通過(guò)快速掃頻來(lái)實(shí)現(xiàn),由于微腔的熱響應(yīng)一般較慢,當(dāng)激光掃頻速度足夠快時(shí),腔內(nèi)光場(chǎng)可以在微腔被加熱之前到達(dá)孤子態(tài).2013年,Herr 等[23]就是通過(guò)快速掃頻的方法在MgF2微腔中產(chǎn)生了鎖模的孤子光梳.快速掃頻法操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,但一般僅適用于本身熱效應(yīng)較小的平臺(tái)體系,對(duì)于熱效應(yīng)較大的材料則較難適用.此外還可以使用“功率踢”的方法來(lái)克服熱效應(yīng)影響[32,33].“功率踢”法需要借助聲光調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn),它的時(shí)序過(guò)程如圖3(c)所示,大致可以分為4 個(gè)階段: 第1 階段,泵浦激光從藍(lán)失諧掃頻進(jìn)入腔模,腔內(nèi)光場(chǎng)功率不斷增大;第2 階段,利用聲光調(diào)制器調(diào)節(jié)泵浦激光的功率,使得泵浦激光功率先降低誘導(dǎo)孤子產(chǎn)生,隨后迅速升高來(lái)補(bǔ)償腔內(nèi)功率下降穩(wěn)定住腔內(nèi)溫度使得孤子能夠穩(wěn)定存在;第3 階段,打開(kāi)鎖定伺服系統(tǒng),通過(guò)反饋泵浦激光器的頻率來(lái)鎖定孤子的功率;第4 階段,泵浦激光和腔模的失諧被完全鎖定,孤子能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在.這一方法對(duì)時(shí)序的控制較為嚴(yán)格,且由于聲光調(diào)制器響應(yīng)帶寬有限,一般適用于腔內(nèi)光子壽命較長(zhǎng)即高品質(zhì)因子的微腔中產(chǎn)生光梳.除此之外,熱輔助光法也是一種較為常見(jiàn)的穩(wěn)定產(chǎn)生光梳的方法[34,35].其原理如圖3(d)所示,實(shí)驗(yàn)上在泵浦激光相反的方向打一束熱輔助激光耦合進(jìn)微腔中,熱輔助激光處于某一個(gè)腔模的藍(lán)失諧區(qū)域.當(dāng)泵浦激光開(kāi)始掃頻微腔被加熱時(shí),腔模會(huì)紅移,與此同時(shí)熱輔助激光耦合進(jìn)微腔的功率降低,微腔被冷卻,當(dāng)腔內(nèi)光場(chǎng)達(dá)到孤子態(tài)時(shí),腔內(nèi)光場(chǎng)功率下降腔模藍(lán)移,熱輔助激光耦合進(jìn)微腔的功率增大,加熱微腔穩(wěn)定微腔的溫度.2019年,Zhou 等[34]就是采用熱輔助光法在集成氮化硅微腔中產(chǎn)生了孤子光梳,并觀察到了確定性孤子產(chǎn)生現(xiàn)象.熱輔助光法雖然較為適用,但系統(tǒng)較為復(fù)雜,需要第2 臺(tái)激光器,此外由于反向傳播的熱輔助激光在腔內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生梳齒,經(jīng)過(guò)微腔側(cè)壁背向散射和孤子光梳一起耦合出來(lái),因此出射光梳光場(chǎng)不太純凈,光梳產(chǎn)生后如何撤去熱輔助激光是將來(lái)需要解決的問(wèn)題.除了利用熱輔助激光之外,還可以通過(guò)一些常用的熱補(bǔ)償方案,例如使用電光調(diào)制器調(diào)制泵浦激光產(chǎn)生邊帶,利用調(diào)制邊帶進(jìn)行熱穩(wěn)定[36,37],這種方法原理和熱輔助光法一致,但不需要第2 套激光器.

微腔光梳還可通過(guò)掃描腔模頻率來(lái)產(chǎn)生[38,39],一般是通過(guò)熱調(diào)諧腔模來(lái)實(shí)現(xiàn)的.本質(zhì)上講掃描腔模和激光頻率是相互等效的,掃描腔模的優(yōu)勢(shì)在于固定頻率的激光器一般噪聲較低,產(chǎn)生光梳的噪聲水平也較低.由于單孤子對(duì)應(yīng)的頻譜包絡(luò)較為光滑整齊,且在光電探測(cè)器上探測(cè)到的拍頻信號(hào)信噪比較高,因此實(shí)驗(yàn)上一般傾向于產(chǎn)生單孤子態(tài),這通常是通過(guò)反向掃頻來(lái)實(shí)現(xiàn).具體操作如圖3(e)所示,當(dāng)產(chǎn)生多孤子態(tài)后緩慢反向掃頻,由于熱效應(yīng)的影響,孤子數(shù)量將會(huì)逐漸減小最終達(dá)到單孤子態(tài)[40].反向掃頻是目前實(shí)驗(yàn)上使用最為普遍的由多孤子態(tài)達(dá)到單孤子態(tài)的方法.

除了上文提到的掃頻法之外,微腔光梳還可以通過(guò)自注入鎖定法產(chǎn)生.如圖4(a)所示,自注入鎖定法激光器和微腔之間沒(méi)有光隔離器,入射到微腔的光場(chǎng)會(huì)在微腔側(cè)壁上經(jīng)過(guò)瑞利散射形成背向傳播的光場(chǎng)沿原路返回,反饋激光器腔內(nèi)光場(chǎng)[41].當(dāng)激光器初始失諧在一定范圍內(nèi)且滿(mǎn)足相應(yīng)的反饋相位條件時(shí),系統(tǒng)會(huì)沿著圖4(b)中的黑色動(dòng)力學(xué)曲線自動(dòng)達(dá)到孤子態(tài),實(shí)現(xiàn)如圖4(c)所示的微腔光梳“啟鑰”式啟動(dòng).目前人們已經(jīng)通過(guò)自注入鎖定的方法在集成氮化硅微腔中產(chǎn)生了亮孤子[41,42]和暗脈沖光梳[43,44].相較于掃頻法,自注入鎖定法不僅簡(jiǎn)化了產(chǎn)生光梳的過(guò)程,還減少了對(duì)調(diào)控激光掃頻等電子器件的需求,但自注入鎖定法對(duì)于反饋相位條件要求較為嚴(yán)格,這也給芯片的封裝增加了難度.

圖4 自注入鎖定方法產(chǎn)生微腔光梳[41,43] (a)自注入鎖定原理示意圖,激光器與微腔之間沒(méi)有光隔離器,微腔散射的光可以原路返回激光器腔中反饋腔內(nèi)光場(chǎng);(b)自注入鎖定過(guò)程相圖以及動(dòng)力學(xué)曲線,紅色為孤子光梳存在區(qū)域,綠色為調(diào)制不穩(wěn)定態(tài)區(qū)域,黑色的線為自注入鎖定過(guò)程態(tài)的演化軌跡;(c)自注入鎖定過(guò)程光梳功率與拍頻信號(hào)演化過(guò)程;(d),(e)自注入鎖定產(chǎn)生的亮孤子光梳和暗脈沖光梳頻譜圖Fig.4.Generate microcombs via self-injection locking[41,43]: (a)Schematic diagram of self-injection locking,there is no optical isolator between the laser and the microresonator,the light scattered by the microresonator can return to the laser cavity in the original path to feedback the light field in the laser cavity;(b)phase diagram and dynamic curve of self-injection locking,the red region is the soliton-exiting region,and the green region is modulation instability region,the black curve is the evolution trajectory of self-injection locking;(c)the evolution of comb line power and beat note signal in self-injection locking process;(d),(e)the optical spectra of bright soliton and dark pulse optical frequency comb generated by self-injection locking method.

目前為止,人們通過(guò)掃頻法已經(jīng)在氮化硅(Si3N4)[38,45–47]、二氧化硅 (SiO2)[48–51]、硅(Si)[52]、碳化硅 (SiC)[53]、鈮酸鋰 (LiNbO3)[54,55]、氮化鋁(AlN)[56]、鋁鎵砷(AlGaAs)[57,58]、氟化鎂(MgF2)[23,59]和五氧化二鉭(Ta2O5)[60]等材料平臺(tái)的微腔里產(chǎn)生了微腔光梳,這些材料平臺(tái)的微腔圖片如圖5 所示,它們都具有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).氮化硅可以在近紅外光譜中提供寬闊的透明窗口,同時(shí)具有較低的色散,有利于孤子的產(chǎn)生,最重要的是氮化硅與集成光子學(xué)兼容,允許在單個(gè)芯片上集成多個(gè)組件,也方便進(jìn)行色散設(shè)計(jì),目前已經(jīng)成為最主流的微腔光梳材料平臺(tái)之一.鈮酸鋰具有較高的非線性系數(shù),適用于高效率克爾孤子生成,可在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作,同時(shí)鈮酸鋰最大的特點(diǎn)是其具有很強(qiáng)的電光效應(yīng),可以外部施加電壓對(duì)光梳進(jìn)行調(diào)控.2019年,He 等[54]通過(guò)單片高Q值鈮酸鋰諧振器,在同一腔內(nèi)觀察到孤子譜的直接倍頻,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰光折變效應(yīng)的孤子鎖模過(guò)程自啟動(dòng)及孤子狀態(tài)的雙向切換.鋁鎵砷也具備非常高的克爾非線性系數(shù),適合用來(lái)產(chǎn)生低閾值、高效率的光梳.2020年,Chang 等[58]制備的鋁鎵砷微腔,其產(chǎn)生光梳的閾值功率僅為36 μW.二氧化硅和氟化鎂平臺(tái)的特點(diǎn)是Q值很高,例如Yao 等[49]制備的二氧化硅微棒腔其Q值高達(dá) 4×109,產(chǎn)生光梳僅需要百微瓦級(jí)的功率,但缺點(diǎn)是難以進(jìn)行片上的集成.隨著微腔加工技術(shù)的進(jìn)步,光學(xué)微腔的品質(zhì)因子不斷提高,以及高非線性系數(shù)材料平臺(tái)的運(yùn)用,產(chǎn)生微腔光梳需要的泵浦激光功率越來(lái)越低,亞毫瓦的泵浦功率下產(chǎn)生微腔光梳已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)[49,58,61],這大大降低了微腔光梳的功耗.異質(zhì)集成技術(shù)也使得全片上的微腔光梳成為可能,電泵浦的全片上微腔光梳已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上得到實(shí)現(xiàn)[62].自注入鎖定技術(shù)更是簡(jiǎn)化了微腔光梳產(chǎn)生過(guò)程[41,43],使得微腔光梳的大規(guī)模生產(chǎn)制備成為可能.

圖5 產(chǎn)生微腔光梳的各種材料平臺(tái)[46,49–54,58–60]Fig.5.Various material platforms to generate micocombs[46,49–54,58–60].

3 微腔光梳的發(fā)展

微腔光梳的頻譜寬度、效率、平坦性和噪聲對(duì)微腔光梳的許多實(shí)際應(yīng)用十分重要,本節(jié)將綜述微腔光梳在上述幾個(gè)方面取得的進(jìn)展.

3.1 微腔光梳的頻譜寬度

頻譜寬度是微腔光梳很重要的一個(gè)性能指標(biāo),拓展微腔光梳的頻譜范圍對(duì)于光譜測(cè)量、光鐘等方面的應(yīng)用有著重要價(jià)值,實(shí)驗(yàn)中一般是借助色散波來(lái)拓展微腔光梳的頻譜范圍.若只考慮二階色散,則微腔模式和梳齒的失諧會(huì)隨著遠(yuǎn)離泵浦而增大,因此亮孤子光梳梳齒功率會(huì)往頻譜兩邊衰減,這限制了微腔光梳頻譜的展寬.若有高階色散或模式交叉的參與,則微腔模式會(huì)偏離二階色散曲線,若在某個(gè)位置微腔模式和光梳梳齒非?？拷鼊t會(huì)形成色散波[45,63,64].圖6(b),(c)顯示了高階色散產(chǎn)生帶色散波光梳的頻譜圖,色散波大大展寬了光梳的頻譜范圍.實(shí)驗(yàn)上若要優(yōu)化色散波對(duì)光梳頻譜的展寬效果則需要進(jìn)行很好的色散設(shè)計(jì),具體是通過(guò)設(shè)計(jì)微腔橫截面的尺寸以及微腔的材料平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.除此之外還可以利用耦合腔,借助不同微腔之間模式的耦合造成特定位置的模式偏移來(lái)設(shè)計(jì)色散波,這種方法可以賦予系統(tǒng)更多的設(shè)計(jì)自由度[65].

圖6 微腔光梳的頻譜寬度[45] (a)集成氮化硅微腔掃描電子顯微鏡及其橫截面圖像;(b)利用色散波來(lái)拓展微腔光梳頻譜寬度,1930 nm 處的色散波大大拓寬了頻譜范圍;(c)圖(a)中腔的集成色散Fig.6.The spectra bandwidth of microcombs[45]: (a)The scanning electron microscopy images and cross section of integrated Si3N4 microresonator;(b)expand the bandwidth of microcombs using dispersive waves,the dispersive waves located at 1930 nm greatly broaden the spectrum range;(c)integrated dispersion of the microresonator in Fig.(a).

由于亮孤子脈沖的頻譜寬度是與微腔的色散呈負(fù)相關(guān)的,因此零色散微腔也能拓展光梳的譜寬,然而零色散微腔一般很難直接泵浦產(chǎn)生孤子,實(shí)驗(yàn)上一般采用脈沖泵浦的方案[66].此外,頻譜轉(zhuǎn)移的方法也可以用來(lái)產(chǎn)生寬譜的微腔光梳,具體過(guò)程是先用一束泵浦激光產(chǎn)生第1 套光梳,隨后再將第2 束泵浦激光耦合進(jìn)入微腔,利用第2 束泵浦激光和第1 套光梳梳齒之間的四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生第2 套光梳,在一定色散條件下第2 套光梳系統(tǒng)的頻譜寬度可以被大大拓寬.2021年,Moille 等[67]采用這種方法在集成氮化硅微腔中產(chǎn)生了1.6 倍頻程的光梳.這一方案雖然大大拓寬了光梳的頻譜寬度,然而整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜,將單套光梳系統(tǒng)做到頻譜跨倍頻程仍然是未來(lái)的發(fā)展方向.此外,產(chǎn)生寬譜的微腔光梳還需要合理地設(shè)計(jì)波導(dǎo)和微腔之間的耦合結(jié)構(gòu),使得腔內(nèi)的光梳譜線能夠在較大的帶寬高效地耦合出來(lái).2020年,Chen 等[68]在二氧化硅變形腔中產(chǎn)生光梳,利用混沌通道實(shí)現(xiàn)頻譜跨兩個(gè)倍頻程光梳的耦合便提供了一種寬帶耦合思路.

3.2 微腔光梳的效率

微腔光梳的效率通常被定義為耦合出腔的非泵浦梳齒功率之和除以耦合進(jìn)腔的泵浦功率,效率的大小直接關(guān)系著系統(tǒng)的能耗與光梳梳齒功率的高低[69].通常情況下,常規(guī)的亮孤子光梳系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率僅為1% 左右,因此提高微腔光梳系統(tǒng)的效率是十分重要的研究?jī)?nèi)容.圖7(a)為微腔光梳產(chǎn)生過(guò)程中能量流動(dòng)示意圖,泵浦激光耦合入微腔的效率、泵浦轉(zhuǎn)化為其他梳齒的效率以及光梳耦合出微腔的效率都直接影響著系統(tǒng)的整體效率,優(yōu)化微腔光梳系統(tǒng)的效率也需要綜合考慮以上三點(diǎn).

圖7 微腔光梳的效率[69–73] (a)微腔光梳產(chǎn)生過(guò)程中能量流動(dòng)示意圖;(b)暗脈沖光梳頻譜圖,插圖為耦合出腔的暗脈沖時(shí)域波形圖;(c)脈沖泵浦產(chǎn)生微腔光梳示意圖;(d)激光腔孤子光梳示意圖;(e)使用輔助腔回收泵浦光示意圖;(f)使用耦合腔偏移泵浦模式頻率Fig.7.Efficiency of microcombs[69–73]: (a)Energy flow chart of microcombs generation;(b)optical spectra of dark pulse optical frequency comb,the inset is the temporal waveform of dark pulse emitted out of the microresonator;(c)schematic diagram of pulse pumping microcombs;(d)schematic diagram of laser-cavity soliton;(e)schematic diagram of recycling pump by using auxiliary cavity;(f)shift the frequency of pump mode using auxiliary cavity.

產(chǎn)生初級(jí)梳、孤子晶體和暗脈沖等方法可以顯著提高微腔光梳的產(chǎn)生效率.初級(jí)梳產(chǎn)生于圖3(a)中的第1 階段[74],而孤子晶體則是時(shí)域等間隔的多孤子態(tài)[75–77],這兩種光梳泵浦轉(zhuǎn)換效率都較高.然而初級(jí)梳和孤子晶體光梳重頻頻率一般較大,暗脈沖是一種更好的選擇.暗脈沖的產(chǎn)生效率與耦合條件和占空比密切相關(guān),在實(shí)驗(yàn)上可以實(shí)現(xiàn)百分之幾十的產(chǎn)生效率[69],在極限過(guò)耦合和占空比為50%的條件下理論效率可以接近100%[78].此外,增大泵浦場(chǎng)的帶寬,例如采用脈沖泵浦和借助激光腔也可以提高微腔光梳的效率[70,71,79].

亮孤子脈沖與泵浦背景場(chǎng)交疊比例較小以及亮孤子存在區(qū)域失諧較大泵浦激光耦合進(jìn)腔效率較低是限制亮孤子光梳效率提升的兩大問(wèn)題,而這兩大問(wèn)題均可以借助耦合腔來(lái)解決.如圖7(e)所示,運(yùn)用泵浦腔收集未充分利用的泵浦場(chǎng)循環(huán)泵浦孤子腔產(chǎn)生孤子,這一方法能實(shí)現(xiàn)接近100% 的泵浦循環(huán)利用,顯著提高亮孤子光梳的產(chǎn)生效率[72].耦合腔的另一種用法如圖7(f)所示,通過(guò)輔助腔和主腔(產(chǎn)生孤子的微腔)的耦合使得主腔的泵浦模式產(chǎn)生紅移,從而減小產(chǎn)生孤子時(shí)泵浦激光和泵浦模式的失諧,增大泵浦激光耦合進(jìn)腔的效率,從而提高總體的效率,這一方案可以將亮孤子光梳的產(chǎn)生效率提升至50% 以上[73].耦合腔系統(tǒng)雖然能夠提高系統(tǒng)的效率,但是卻未必能夠降低系統(tǒng)的啟動(dòng)光功率,如何降低啟動(dòng)光功率以及在寬譜的光梳系統(tǒng)里面得到較高的轉(zhuǎn)換效率是未來(lái)需要解決的問(wèn)題.

3.3 微腔光梳的平坦性

在光通信等很多方面應(yīng)用中,光頻梳光譜的平坦性十分重要,最理想的是產(chǎn)生矩形頻譜包絡(luò)的“奈奎斯特”光梳.上文提到過(guò)由于微腔群速度色散的影響,光梳梳齒的失諧會(huì)隨著遠(yuǎn)離泵浦而增大,從而使得梳齒功率下降.因此,可以通過(guò)優(yōu)化色散設(shè)計(jì),通過(guò)產(chǎn)生局域的零色散微腔結(jié)構(gòu)來(lái)增加產(chǎn)生光梳的光譜平坦性[80].圖8(a)是一個(gè)光子晶體微環(huán)腔的結(jié)構(gòu)示意圖,其內(nèi)部的柵欄結(jié)構(gòu)可以增大正向和反向光場(chǎng)的耦合,導(dǎo)致模式分裂,從而影響色散.通過(guò)逆向設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)內(nèi)部的柵欄結(jié)構(gòu)可以獲得圖8(b)所示的局域平坦的色散曲線.在這一結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的亮孤子和暗脈沖光梳光譜圖如圖8(c),(d)所示,其頂部平坦性有了很大提高.如何簡(jiǎn)化器件設(shè)計(jì)過(guò)程以及減小柵欄結(jié)構(gòu)對(duì)器件Q值的影響是下一步需要優(yōu)化的方向.增加光梳頻譜的平坦性還可以通過(guò)引入額外的頻譜濾波來(lái)實(shí)現(xiàn),Xue等[81]利用這種方法在光纖環(huán)腔中產(chǎn)生了頻譜更為均勻的光梳,其頻譜如圖8(f)所示,隨著濾波階數(shù)的增加,光梳頻譜頂部更為平坦.然而在回音壁模式微腔中實(shí)現(xiàn)光譜濾波較為復(fù)雜,當(dāng)前相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示僅在法布里-珀羅腔中得到了實(shí)現(xiàn)[82].

圖8 光譜頂部平坦的微腔光梳[80,81] (a)多頻率光子晶體微腔示意圖,微腔內(nèi)部刻蝕了不同空間周期的光柵結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)色散;(b)多頻率光子晶體微腔色散曲線,圖(a)中的光柵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了模式分裂成藍(lán)移和紅移的模式;(c),(d)多頻率光子晶體微腔中產(chǎn)生的亮孤子和暗脈沖光梳光譜圖;(e)通過(guò)濾波產(chǎn)生奈奎斯特孤子光梳的原理示意圖;(f)不同濾波階數(shù)產(chǎn)生的奈奎斯特孤子光梳光譜圖Fig.8.Flat-top micocommbs[80,81]: (a)Schematic diagram of multi-frequency photonic crystal microresonators,grating structures with different spatial periods are etched inside the microresonator to adjust the dispersion;(b)dispersion curve of multi frequency photonic crystal microcavities,where the grating structures in fig.(a)leads to single mode splitting to blue-and redshifted modes;(c),(d)the optical spectra of bright soliton and dark pulse generated in multi-frequency photonic crystal microresonators;(e)schematic diagram of generating Nyquist soliton by spectral filtering;(f)the optical spectra of the Nyquist soliton optical frequency comb generated by various spectral filtering order.

3.4 微腔光梳的噪聲

在精密測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域,微腔光梳的噪聲十分重要,噪聲水平的高低直接決定了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性.重頻噪聲是光梳噪聲的一個(gè)重要組成部分,光梳重頻的測(cè)量過(guò)程如圖9(a)所示,把孤子脈沖耦合到高速光電探測(cè)器上即可產(chǎn)生頻率為光梳重頻的微波信號(hào),這也是用微腔光梳合成微波的基本原理[83],隨后用頻譜儀分析產(chǎn)生微波信號(hào)的半高全寬或用相噪儀分析其相位噪聲即可知道光梳重頻的相位噪聲信息.微腔光梳重頻噪聲來(lái)源有很多,當(dāng)前最主要還是泵浦激光導(dǎo)致的技術(shù)噪聲,此外還有熱噪聲和量子噪聲等,這兩者是微腔光梳最為基本的噪聲,抑制微腔光梳的重頻需要針對(duì)不同來(lái)源的噪聲采取不同措施.

圖9 微腔光梳的噪聲研究[59,83,84] (a)微腔光梳合成微波的原理示意圖,連續(xù)激光在微腔中產(chǎn)生孤子脈沖,隨后將脈沖序列耦合到高速光電探測(cè)器上,即可產(chǎn)生頻率為光梳重頻的微波信號(hào),這也是常用的光梳重頻測(cè)量方法;(b)“安靜點(diǎn)”操作抑制光梳噪聲示意圖,在特定失諧下,孤子重頻對(duì)失諧變化敏感度最小,相應(yīng)光梳重頻噪聲最低;(c)布里淵克爾孤子原理圖,泵浦激光先在微腔中激發(fā)布里淵激光,再用布里淵激光泵浦微腔產(chǎn)生孤子光梳;(d)注入鎖定原理圖,泵浦激光通過(guò)電光調(diào)制器產(chǎn)生邊帶,利用注入鎖定效應(yīng)將光梳梳齒鎖定在調(diào)制產(chǎn)生的邊帶上Fig.9.Research on the noise of microcombs[59,83,84]: (a)Schematic diagram of synthesizing microwave signal using microcombs,a continuous laser generates soliton pulses within a microresonator,and this pulse sequence is subsequently coupled to a high-speed photodetector to generate microwave signals with a frequency equaling to the repetition rate of the microcombs,this process also serves as a conventional method for measuring the repetition rate of optical frequency combs;(b)schematic illustration of noise suppression in microcombs through "quiet point" operation,the microcomb's repetition rate exhibits minimal sensitivity to detuning under a specific detuning condition,which coincides with the microcomb state characterized by the lowest repetition rate noise;(c)schematic diagram of Brillouin Kerr soliton,the pump laser generates Brillouin laser in the microresonator,and then the Brillouin laser pump the microresonator to generate soliton comb;(d)schematic diagram of injection locking,the pump laser is modulated by electro-optic modulator to generate a pair of sidebands,the comb lines are locked to the modulated sidebands via injection locking effects.

對(duì)于泵浦激光導(dǎo)致的技術(shù)噪聲可以通過(guò)“安靜點(diǎn)”操作來(lái)進(jìn)行抑制[83].泵浦激光的噪聲會(huì)引起失諧的變化,再通過(guò)拉曼效應(yīng)以及色散波的渠道耦合到微腔光梳的重頻噪聲上.如圖9(b)所示,實(shí)驗(yàn)上可以調(diào)節(jié)失諧到某個(gè)特定的條件下,此時(shí)光梳的重頻對(duì)失諧變化最不敏感,拉曼效應(yīng)和色散波的影響相互平衡,相應(yīng)的泵浦激光噪聲對(duì)重頻的影響最小.Yao 等[49,83]先后利用這種方法極大地抑制了微腔光梳的重頻噪聲,并合成了極低噪聲的微波信號(hào).這一方案是實(shí)驗(yàn)上最為簡(jiǎn)單有效的噪聲抑制方法,但在模式較為干凈的微腔中,若沒(méi)有很強(qiáng)的色散波,則這一方法的效果十分有限.此外還可以借助布里淵激光來(lái)抑制微腔光梳的噪聲[84],圖9(c)所示先用泵浦激光在微腔中產(chǎn)生布里淵激光,再用產(chǎn)生的布里淵激光泵浦產(chǎn)生孤子光梳,由于布里淵激光的低噪聲特性,產(chǎn)生光梳的重頻噪聲也會(huì)被大大抑制.注入鎖定也是很好地抑制光梳重頻的方法,其原理如圖9(d)所示.通過(guò)相位調(diào)制器產(chǎn)生一對(duì)邊帶,當(dāng)調(diào)制邊帶和光梳梳齒頻率足夠接近時(shí),由于注入鎖定效應(yīng)光梳梳齒的頻率就會(huì)同步在調(diào)制邊帶上,光梳的重頻噪聲也將跟隨施加給調(diào)制器微波信號(hào)的噪聲[59].這一方法可以有效地抑制光梳低頻的重頻噪聲,且可以實(shí)現(xiàn)光梳重頻的快速切換與調(diào)諧,但這一方法同時(shí)也需要高功率微波,且噪聲抑制帶寬也有一定限制.

微腔與外界熱源的耦合會(huì)造成微腔溫度的漲落,從而導(dǎo)致折射率的變化以及尺寸的縮脹而引起光梳重頻的變化,這是熱噪聲的耦合過(guò)程.由于一般折射率的變化占主導(dǎo),因此一般也稱(chēng)之為熱折射噪聲[85].根據(jù)漲落耗散定理,微腔溫度的漲落與微腔絕對(duì)溫度的高低成正比,與微腔的模式體積成反比,因此冷卻微腔以及采用大模式體積的微腔可以降低熱噪聲[86,87].微腔模式頻率的漲落大小也與材料的熱光系數(shù)相關(guān),選擇熱光系數(shù)的材料平臺(tái)對(duì)于抑制微腔光梳的熱噪聲十分重要.此外,圖3(d)中的熱輔助激光也可以反饋溫度的漲落,從而抑制微腔光梳的熱噪聲[88].

真空漲落產(chǎn)生的隨機(jī)光子耦合進(jìn)微腔會(huì)對(duì)光梳的重頻產(chǎn)生影響,這被稱(chēng)為量子擴(kuò)散或量子定時(shí)抖動(dòng),在理論和實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)被充分研究[89,90].量子噪聲的大小與材料的非線性系數(shù)成正比,同時(shí)與微腔的模式體積成反比,選擇低非線性、大模式體積的平臺(tái)可以獲得更低的量子噪聲極限.脈沖的波形也有一定影響,有研究表明同等參數(shù)條件下,暗脈沖有著比亮孤子更低的量子噪聲極限[24].此外,亮孤子的量子噪聲還可以借助色散波的頻譜反沖效應(yīng)反饋量子噪聲的擾動(dòng)而進(jìn)行抑制[91].

4 微腔光梳的應(yīng)用

微腔光梳因其體積小、可集成和高相干性的優(yōu)越性能,在眾多領(lǐng)域中都取得了豐碩的應(yīng)用成果,具體如圖10 所示[92–100].微腔光梳可以被應(yīng)用于光通信領(lǐng)域,微腔光梳的每一根梳齒都是高相干性的激光,可以被單獨(dú)編碼傳輸信息,而且微腔光梳的重頻較大,能夠很好地與ITU 通道間隔匹配,有望取代傳統(tǒng)波分復(fù)用通信系統(tǒng)中的激光器陣列,使得光通信系統(tǒng)小型化甚至實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)光通信系統(tǒng).Marin-Palomo 等[92]已完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)演示,利用微腔光梳進(jìn)行波分復(fù)用通信的最大通信速率已經(jīng)超過(guò)50 Tbit/s.

圖10 微腔光梳的應(yīng)用[92–100].微腔光梳被廣泛應(yīng)用于通信、微波合成、激光雷達(dá)、光譜學(xué)、光計(jì)算、光鐘、光學(xué)頻率合成、光學(xué)頻率分頻與量子光源等領(lǐng)域Fig.10.Applications of microcombs[92–100]: Microcombs can be widely applied to communication,microwave synthesis,Lidar,spectroscopy,optical computing,optical-frequency synthesizer,optical frequency division,quantum light source,and other fields.

微腔光梳還可以應(yīng)用于距離測(cè)量領(lǐng)域,當(dāng)前基于微腔光梳的測(cè)距方案主要有飛行時(shí)間法、調(diào)頻連續(xù)波法和雙光梳干涉法等.微腔光梳重頻頻率大,脈沖之間時(shí)間間隔短,測(cè)距采樣速率快,同時(shí)由于微腔光梳良好的相干性,測(cè)距精度也很高.Spencer等[101]用雙光梳干涉法,利用兩個(gè)重頻差為 96.5 MHz的光梳將測(cè)距采樣時(shí)間壓縮到10.4 ns,測(cè)距精度能達(dá)到284 nm,若取13 μs 內(nèi)數(shù)據(jù)平均,則測(cè)距精度可以提高到12 nm,可以對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行精密測(cè)距.若采用調(diào)頻連續(xù)波法進(jìn)行測(cè)距,則微腔光梳的每一根梳齒都可以被調(diào)制來(lái)測(cè)距,大大提高了系統(tǒng)的通道數(shù)[95].最近,基于混沌光梳的測(cè)距也是一個(gè)研究熱點(diǎn),混沌光梳測(cè)距可以克服飛行時(shí)間法和調(diào)頻連續(xù)波法的時(shí)域和頻域擁塞問(wèn)題,Lukashchuk 等[102]和Chen 等[103]已完成實(shí)驗(yàn)演示.

在光譜分析領(lǐng)域,微腔光梳一般采用雙光梳法測(cè)量光譜[93,104].這種方法的原理是先將一個(gè)光梳通入待測(cè)氣體,再與另一個(gè)重頻略有差別的光梳耦合在一起,用光電探測(cè)器探測(cè)兩個(gè)光梳梳齒之間的拍頻,不同頻率拍頻的強(qiáng)度就蘊(yùn)含著光譜吸收信息,這樣就可以把光譜信息從光頻映射到電子儀器方便精密探測(cè)的微波波段,從而實(shí)現(xiàn)光譜的快速精確測(cè)量.由于微波信號(hào)可以被精密測(cè)量,這一方法還能大大提高光譜分析的精度,實(shí)現(xiàn)窄吸收峰光譜的精密分析.此外,由于微腔光梳尺寸小的優(yōu)勢(shì),將來(lái)有望在便攜式光譜測(cè)量、環(huán)境有害氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.

微腔光梳還可以應(yīng)用于合成微波信號(hào),微波合成的原理在3.4 節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹.微腔光梳合成微波的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以很容易合成高載波頻率的微波信號(hào),目前無(wú)線通信帶寬瓶頸問(wèn)題不斷顯現(xiàn),而傳統(tǒng)的電學(xué)手段很難合成高載波頻率微波,集成微腔光梳合成高頻微波信號(hào)則提供了一種解決辦法.噪聲低是微腔光梳合成微波信號(hào)的另一大優(yōu)勢(shì),通過(guò)采用上文提到的各種噪聲抑制方法,微腔光梳合成微波的噪聲相比于傳統(tǒng)的電學(xué)振蕩回路以及晶振等方法產(chǎn)生的微波噪聲要低很多.微腔光梳還可以通過(guò)光學(xué)頻率分頻的方法來(lái)合成低噪聲的微波信號(hào),通過(guò)這種方法實(shí)驗(yàn)上合成的20 GHz 微波信號(hào),其10 kHz 偏移頻率相位噪聲僅為–135 dBc/Hz,且該系統(tǒng)有望進(jìn)行片上集成[105,106].此外,合成微波載波頻率可調(diào)性也十分重要,Lu等[77]進(jìn)行了初步嘗試,通過(guò)合成不同周期的孤子晶體可以實(shí)現(xiàn)合成微波頻率的切換.

光學(xué)原子鐘(光鐘)也是微腔光梳的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域.Newman 等[99]將窄線寬激光鎖定在Rb原子的雙光子躍遷能級(jí)上以減小多普勒效應(yīng)的影響,再利用相互鎖定的兩個(gè)微腔光梳將鎖定激光的頻率分頻到22 GHz 的微波,實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的輸出,其頻率穩(wěn)定度達(dá)到 10-13量級(jí).這項(xiàng)工作采用了微型化的Rb 原子氣室和微腔光梳,大大減小了系統(tǒng)體積,提出了一種集成光鐘的整體架構(gòu).

微腔光梳還可以應(yīng)用于光學(xué)頻率合成,通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和鎖定微腔光梳的重頻和載波偏移頻率,可以實(shí)現(xiàn)任意光學(xué)信號(hào)的精準(zhǔn)合成,微腔光梳小型化和可集成的優(yōu)勢(shì)則大大縮小了該系統(tǒng)的體積[100].在光計(jì)算領(lǐng)域,微腔光梳也有用武之地,將其運(yùn)用于卷積計(jì)算可以大幅提高計(jì)算速率[94].微腔光梳還提供了一個(gè)量子光學(xué)研究平臺(tái),若在參量振蕩閾值以下泵浦微腔,還可以產(chǎn)生壓縮光,若泵浦多個(gè)模式,則可以產(chǎn)生更為復(fù)雜的簇態(tài),由于微腔模式多、可集成的優(yōu)勢(shì),這一平臺(tái)正在受到越來(lái)越多的關(guān)注[96,107–109].

5 總結(jié)與展望

光梳的出現(xiàn)革命性地提高了光學(xué)頻率的測(cè)量精度,將光波和微波聯(lián)結(jié)在一起,促進(jìn)了微波光子學(xué)的出現(xiàn).微腔光梳的誕生不僅豐富了光梳家族的組成,提供了芯片級(jí)尺寸光梳的產(chǎn)生方式,因其可集成與CMOS 兼容的優(yōu)勢(shì)還吸引了產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注.自鎖模的微腔光梳誕生十年來(lái),各種穩(wěn)定地產(chǎn)生微腔光梳的技術(shù)不斷被開(kāi)發(fā),各種材料平臺(tái)上也都成功產(chǎn)生了孤子光梳.微腔光梳的帶寬不斷被拓寬,產(chǎn)生效率也不斷被優(yōu)化,頻譜頂部平坦的光梳在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn),微腔光梳的噪聲通過(guò)各種技術(shù)手段被抑制.由于微腔光梳相干性高、集成化程度高和帶寬大的優(yōu)越性能,衍生了光通信、微波合成、激光雷達(dá)、光計(jì)算、光譜測(cè)量、光學(xué)頻率分頻與合成以及量子光源產(chǎn)生等一大批前沿應(yīng)用.

盡管微腔光梳的性能不斷被優(yōu)化,也取得了豐碩的應(yīng)用成果,當(dāng)前的微腔光梳仍然面臨一些挑戰(zhàn).目前微腔光梳的梳齒功率一般較低,應(yīng)用于通信一般需要經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)一步放大,通過(guò)優(yōu)化微腔光梳產(chǎn)生效率等方法提高梳齒功率是下一步的發(fā)展方向.目前的微腔光梳產(chǎn)生光譜范圍主要分布在C 波段和L 波段等通信波段,由于材料吸收等原因?qū)⑵漕l譜拓展到可見(jiàn)光以及中紅外波段較為困難,通過(guò)選擇新材料體系等方法將微腔光梳頻譜拓展至可見(jiàn)和中紅外波段,對(duì)于分子光譜學(xué)以及光鐘等方面應(yīng)用意義重大.盡管跨倍頻程的微腔光梳已在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn),然而其重頻一般為太赫茲量級(jí),非常不方便用電學(xué)手段測(cè)量,通過(guò)色散設(shè)計(jì)和優(yōu)化效率等方法產(chǎn)生重頻易探測(cè)的跨倍頻程的微腔光梳是未來(lái)的發(fā)展目標(biāo).此外,優(yōu)化微腔的加工以及封裝工藝,提高微腔光梳的集成度和產(chǎn)生穩(wěn)定度,降低制造成本,對(duì)于微腔光梳走出實(shí)驗(yàn)室,走向更大的市場(chǎng)十分重要.總之,微腔光梳作為一種新型片上集成光源,自其誕生以來(lái)給世界的科技發(fā)展帶來(lái)了革命性的影響,微腔光梳的未來(lái)發(fā)展也充滿(mǎn)著挑戰(zhàn)與機(jī)遇!