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上海微系统所，Nature！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-23 15:15

正文

第一作者：Junyin Zhang, Chengli Wang, Conn_or Denn_ey, Johann Riemensberge

通讯作者：Xin Ou, Gabriel Santamaria-Botello & Tobias J. Kippenberg

通讯单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，美国科罗拉多矿业大学，瑞士洛桑联邦理工学院

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08354-4

研究背景

基于科尔参量振荡的集成频率梳发生器已经实现了芯片级、吉赫兹间隔的频率梳，其新应用涵盖了超大规模电信、低噪声微波合成、光探测与测距以及天体物理光谱仪校准。近期，铌酸锂（LiNbO₃）光子集成电路（PICs）的进步带来了芯片级的电光（EO）频率梳，提供了精确的梳线定位和简单的操作，无需依赖耗散科尔孤子的形成。然而，当前的集成EO梳面临着有限的光谱覆盖范围，因为驱动非谐振电容电极所需的大功率微波以及LiNbO₃强烈的本征双折射。

本文亮点

本文通过一种集成的三重谐振架构克服了这两个挑战，该架构将单片微波集成电路与基于新出现的薄膜钽酸锂（LiTaO₃）的PICs相结合。通过在LiTaO₃中增强的EO相互作用和减少的双折射，本文实现了与传统的非谐振微波设计相比，梳 span 扩展了四倍，并且功率降低了16倍。该梳由一个混合集成激光二极管驱动，跨度超过450纳米（超过60 THz），拥有超过2000条线，而且发生器适合在一个紧凑的1平方厘米区域内。本文另外观察到，强EO耦合导致梳的存在范围增加，接近光学微腔的全自由光谱范围。这种超宽带梳发生器，结合与调谐无关的操作，可以推进芯片级光谱学和超低噪声毫米波合成，并解锁八度音程跨度的EO梳。共同设计微波和光子学的方法可以扩展到广泛的集成EOs应用中。

图文解析

图1| 基于共同设计的单片微波和电光集成电路的频率梳发生器

要点：

1.本文利用了如图1a所示的谐振增强级联能量传递技术，以高效地生成光电梳（EO comb），这是最早研究的生成光频梳的方法之一。图1b展示了在基于LiNbO₃的最新集成式光电梳中使用的非谐振集总电容电极设计。由于与输入传输线的阻抗不匹配，很大一部分施加的微波功率被反射并在微波源的内部阻抗中以热的形式耗散掉。这种功率传输效率低下的问题需要使用射频放大器来扩展梳状谱，这至今限制了最新集成式光电梳的跨度低于140纳米。

2.通过使用微波腔（如图1c所示）可以克服阻抗不匹配的问题，从而提高光电梳生成的效率。然而，这种方法只应用于体光学和微波腔，而没有用于集成式光电梳。如图1d所示的当前设计综合解决了这两个难题，它将单片微波谐振器与LiTaO₃光子跑道谐振器集成在一起。这种三重谐振器件最初是考虑用于微波光子接收器的，并且最近还被研究用于微波和光学领域之间的量子相干转换。

图2|LiTaO₃和LiNbO₃微腔的双折射模式混合效应与梳状谱跨度的比较

要点：

1.除了增强电光（EO）相互作用外，实现宽带梳状谱生成还涉及管理光学色散，以在尽可能宽的波长范围内实现Δ_μ≈0。本文首先研究了LiNbO₃和LiTaO₃跑道型微腔中可实现的色散。在基于X切割LiNbO₃的微腔中，横向电（TE）模式在波导弯曲处经历了显著的折射率变化，从普通值（n_o=2.21）变为异常值（n_e=2.14），而横向磁（TM）模式则几乎没有变化。如图2a所示，因此，基模TE00模式会与TM00模式交叉并发生混合，这引入了强烈的模内耦合。TE00模式沿晶体z轴极化，以在LiNbO₃和LiTaO₃中最大化利用普克尔斯系数r₃₃。千兆赫兹级别的模式交叉导致微腔纵向模式之间的频率间隔不均匀，打断了梳状谱向短波长的相干扩展。

2.对于600纳米厚的波导设计，发现LiNbO₃的共振光谱在超过207THz（1450nm）的临界频率以上会发生扭曲。临界频率随波导厚度的增加而降低，这限制了在LiNbO₃跑道型微腔中生成宽带梳状谱所需的可实现平坦色散范围。如图2b所示，通过用具有17倍低双折射率的LiTaO₃替换LiNbO₃（n_e−n_o=0.004），本文抑制了TE和TM模式的交叉。本文比较了由LiNbO₃（图2c）和LiTaO₃（图2d）制成的两个相同跑道型微腔的测量色散曲线。结果表明，由于LiTaO₃中的双折射模式混合，局部共振频率扭曲显著减少。此外，图2d中的色散工程化LiTaO₃波导提供了没有可测量局部双折射扭曲的平坦全局色散曲线，使其适合用于生成覆盖一个八度的EO梳状谱。图2e,f比较了使用图2c,d中测量的非色散工程化D_int轮廓的有效耦合率g=0.35ω_FSR时，LiNbO₃和LiTaO₃的模拟梳状谱。我们观察到，由于双折射模式混合，LiNbO₃中的梳线功率在超过1450nm后显著下降，而LiTaO₃中的梳状谱宽度不受此问题限制。

图3| 带有单片集成微波谐振器的三重谐振电光频率梳

要点：

1.为实现集成的三重谐振结构，本文使用了一个嵌入在金λ/2共面波导微波谐振器中的光学LiTaO₃跑道谐振器，该微波谐振器周期性地加载有感性槽微结构，如图3a所示。这种加载增加了内在的微波品质因数Q_m,0，并同时产生了慢波效应，使谐振频率与光学自由光谱范围（FSR）对齐。两端的悬空金属桥形成了短路终端（图3b），在中心提供最大的电场强度（图3c）。这种场分布实现了微波和光学模式之间理论上的最佳相位匹配，最大化了g₀。微波泵通过一个位于非中心的接地-信号-接地微波探头耦合，以实现临界耦合。高限制性的LiTaO₃光子波导使得金电极可以仅放置在距离其边缘2微米的位置，同时保持高于7×10⁶的内在光学品质因数（图3d）。

2.图3e显示了临界耦合微波谐振器的测量反射系数S₁₁，其Q_m,0约为13。为了实现更高的微波品质因数，可以消除额外的寄生损耗并减少金属损耗，例如通过使用银或铜电极。这种谐振器拓扑结构通过调整探头的落地位置，可以实现可调的耦合率，而不会影响场分布。此技术保证了在很宽范围内内在品质因数的临界耦合微波模式，如图3f所示。光梳边带和微波泵同时谐振以提高调制效率。

图4| 调谐无关的混合集成超宽带梳源

要点：

1.接下来，本文研究了在MMIC腔增强微波场存在的情况下，EO梳状谱能够维持的激光失谐范围。图4a显示了混合集成梳状发生器的实物照片，图4b描述了实验装置。将一个分布式反馈（DFB）激光二极管与LTOI芯片的边缘进行端面耦合，耦合损耗为3dB。激光二极管由外部直流电源控制，产生的梳状谱通过带透镜的光纤从光子芯片中收集。图4c展示了不同激光电流下梳状谱的变化，图4d中给出了三个示例光谱。随着电流的增加，泵浦激光频率扫过三个FSR。值得注意的是，本文在电流超过激射阈值后立即获得了宽带梳状谱，并且这一宽跨度可以在很宽的电流范围内保持。梳状谱的存在范围由∣Δ_L∣< 2g给出。扩展的梳状谱存在范围是增强的EO相互作用强度而非自注入锁定的直接结果。图4e描绘了从激光载波（约1547 nm）偏移10 THz（1630 nm）处测量的梳状谱斜率随激光失谐的变化。梳状谱斜率在超过28 GHz的范围内几乎保持恒定，这构成了FSR的90%。这一观察结果表明，有90%的概率可以为随机选择的泵浦电流生成类似跨度的频率梳。它还表明，梳状谱对泵浦频率波动和环境变化引起的腔共振抖动具有更强的抵抗力。图4f说明了在周期性激光切换期间测量的重复率信号，展示了稳定的一键操作。大的梳状谱存在范围使得所有梳线能够在整个FSR内连续扫描，不会在跨度内留下光谱孔（图4g）。这一特性对于片上传感和相干测距应用尤为重要。

总结与展望

总之，本文利用新出现的薄膜钽酸锂（LiTaO₃）平台展示了一种超宽带集成的三重谐振电光（EO）频率梳发生器。这种材料的选择帮助克服了传统上使用的铌酸锂（LiNbO₃）面临的双折射跨度限制，这对于光谱覆盖范围是一个难题。本文利用单片驻波微波谐振器来优化与光学模式的场重叠和相位匹配，实现了一个单光子EO耦合率g₀=2π×2.2 kHz，这是之前块状谐振实现的300多倍。这种临界耦合的MMIC谐振器还增强了腔内微波泵浦光子的数量，同时消除了功率反射，进而提高了有效的EO耦合率。强耦合使得在超过90%的自由光谱范围（FSR）的激光失谐范围内产生宽带梳成为可能，便于使用自由运行的分布反馈（DFB）激光二极管进行即插即用操作和完整的FSR扫描。这一特性允许混合集成激光二极管，使得梳发生器适合在1平方厘米的区域内。至关重要的是，由于高效的光学边带生成，本文获得了大于450纳米的梳 span ，拥有超过2000条梳线，远远超过了以29.6 GHz间隔的电信E、S、C、L和U频段。这种超宽带梳的实现，其芯片上的总功耗低于7瓦，包括微波泵浦和激光二极管电流的贡献。本文的结果代表了向EO梳技术的现场部署迈出了重要一步，为高性能集成EO光子学建立了单片微波共同设计策略。

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