微腔光頻梳的應(yīng)用研究進(jìn)展

馮梁森，李維*，陳少武，武騰飛，李新良

（1.航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京 100095；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；3.中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引言

光頻梳在時域上是超短飛秒光脈沖，在頻域上是等間隔分布的光學(xué)頻率組成的梳狀光譜，且各頻率分量具有穩(wěn)定的相位關(guān)系。它的光譜覆蓋范圍極廣，可達(dá)百太赫茲帶寬［1］，且單個梳齒線寬極窄（千赫茲量級），兼具Hz量級的頻率穩(wěn)定度和飛秒量級的時間分辨力，可為微波頻標(biāo)、光學(xué)頻標(biāo)等多種頻率標(biāo)準(zhǔn)提供載體，也為長度、時間頻率等參數(shù)提供了理想的測量工具。

由于受限于半導(dǎo)體微納器件加工技術(shù)和材料生長技術(shù)，最初的光頻梳的產(chǎn)生大多是基于鈦寶石或摻雜稀土元素晶體的全固態(tài)飛秒激光器光梳，或是基于非保偏光纖構(gòu)建的光纖光梳，這些光梳需要頻繁維護(hù)，體積較大，且產(chǎn)生的光頻梳存在光譜范圍窄、重復(fù)頻率低等局限性問題。隨著微腔制造工藝的進(jìn)步，品質(zhì)因子（Quality Factor，Q）較高的微盤、微環(huán)或微球等微腔結(jié)構(gòu)被制作出來，為光頻梳實現(xiàn)芯片化提供了可能。以微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)以硅片為襯底、氮化硅為波導(dǎo)層、二氧化硅為上下包層，利用全反射原理將光限制在波導(dǎo)層傳播。微環(huán)結(jié)構(gòu)包括一個環(huán)形波導(dǎo)以及一條或兩條條形波導(dǎo)，波導(dǎo)截面尺寸一般為微米量級。激光進(jìn)入波導(dǎo)并耦合進(jìn)諧振腔中，在諧振腔結(jié)構(gòu)中往返傳輸，并具有極小的模式體積，使器件具備較強(qiáng)的光局域能力和高增益，腔內(nèi)較強(qiáng)的光場導(dǎo)致材料的三階非線性效應(yīng)——克爾效應(yīng)增強(qiáng)并產(chǎn)生參量振蕩，結(jié)合一定的控制手段，可獲得微腔克爾光頻梳。2003年，加州理工學(xué)院（Caltech）的Vahala課題組［2］在硅襯底上制作出Q值大于108的二氧化硅微盤腔，于2004年觀察到微腔內(nèi)的光參量振蕩現(xiàn)象［3］。2007年，瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）的Kippenberg 課題組［4］利用連續(xù)光泵浦方式，在氧化硅微盤腔中首次實現(xiàn)多種形態(tài)的克爾光頻梳。此后，科研人員先后制備出多種材料微腔并實現(xiàn)了克爾光頻梳，使該技術(shù)得到飛速發(fā)展。

微腔光頻梳與其他光頻梳相比，具有重復(fù)頻率高、光譜覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，可應(yīng)用于對超快測量、寬光譜測量以及高精度測量有需求的場景，包括高精度時頻計量、高分辨光譜分析、分子指紋探測、雙光梳高精度快速測距、多波長并行超高帶寬光通信、天文光譜校準(zhǔn)和類地行星探測等［5］。微腔光頻梳還具有體積小、可芯片集成的優(yōu)點(diǎn)，能夠為光鐘、雷達(dá)等系統(tǒng)的小型化提供重要技術(shù)支撐。

本文重點(diǎn)聚焦于微腔光頻梳的應(yīng)用研究進(jìn)展，首先闡述微腔光頻梳的國內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀，然后從技術(shù)發(fā)展的角度詳細(xì)介紹微腔光頻梳的應(yīng)用發(fā)展趨勢，最后對其前景進(jìn)行展望。

1 微腔光頻梳技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 微腔光頻梳產(chǎn)生

微腔光頻梳的產(chǎn)生依賴于微腔介質(zhì)的三階非線性效應(yīng)——克爾效應(yīng)。三階非線性效應(yīng)主要包含三個非線性光學(xué)過程，其中自相位調(diào)制（Selfphase Modulation，SPM）和交叉相位調(diào)制（Crossphase Modulation， XPM）共同作用來平衡介質(zhì)中的材料色散，四波混頻（Four-wave Mixing，F(xiàn)WM）用來產(chǎn)生新的頻率分量［6］，當(dāng)腔內(nèi)達(dá)到色散與克爾效應(yīng)以及增益與損耗的雙重平衡后，即可輸出孤子形態(tài)的微腔光頻梳［7］。微腔光頻梳的單孤子態(tài)是應(yīng)用中最重要的一種狀態(tài)，具有低噪聲、相位穩(wěn)定的特點(diǎn)，其調(diào)制過程具有一定的難度。孤子態(tài)光頻梳的調(diào)制先后經(jīng)歷了快速調(diào)諧法［8-10］、熱調(diào)諧法［11-12］和輔助激光法［13-14］等，借助窄線寬可調(diào)諧激光器、電光調(diào)制器等外部設(shè)備使腔內(nèi)的熱效應(yīng)達(dá)到被動抑制的效果，從而進(jìn)入孤子態(tài)。然而這些方法本質(zhì)上背離了微腔光頻梳可芯片化集成的初衷，一方面調(diào)制微腔需要龐大的光學(xué)系統(tǒng)，另一方面針對這套系統(tǒng)的穩(wěn)頻鎖頻系統(tǒng)的小型化仍是亟待解決的問題。

研究人員在對分立光學(xué)元器件如何進(jìn)行芯片化集成的思考過程中發(fā)現(xiàn)，利用自注入鎖定的方案可以很好地實現(xiàn)光頻梳的主動孤子輸出。2019年，EPFL 的Raja 等人［15］通過研究激光器與微腔的自注入鎖定現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)由于微腔內(nèi)背向散射引起的諧振模式分裂反饋到激光器可以引起激光自注入鎖定現(xiàn)象。通過調(diào)控激光二極管驅(qū)動電流，可以在微腔內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生耗散克爾光孤子，整個模塊電功耗小于1 W，體積小于1 cm3。2020年，在由Caltech、加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）以及EPFL 三方研究團(tuán)隊［16］的共同努力下，成功實現(xiàn)微腔孤子光梳“啟鑰”運(yùn)行，只需打開激光器的開關(guān)，就能自動尋找鎖模狀態(tài)并保持穩(wěn)定運(yùn)行。電驅(qū)動的集成微腔光頻梳芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心器件為一個商用的分布式反饋（Distributed Feedback，DFB） 激光器芯片與一個高Q氮化硅微腔芯片，對接耦合后與制冷器一起封裝，能夠維持幾個月的可靠運(yùn)行。“啟鑰”運(yùn)行實現(xiàn)的關(guān)鍵在于微腔必須具有超高的品質(zhì)因子，該報道中所用到的氮化硅微腔Q值達(dá)到1.6×107，是當(dāng)時報道的最高水平。

圖1 電驅(qū)動的集成微腔光頻梳芯片結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Electrically pumped integrated soliton microcomb chip

2021年，Kippenberg 課題組［17］首次發(fā)表自注入鎖定完整的理論模型，如圖2所示，揭示了基于半導(dǎo)體激光器自注入鎖定實現(xiàn)芯片化光梳的原理，即利用在微諧振腔內(nèi)的體積和表面的背向瑞利散射形成激光二極管的外腔光反饋，并將激光二極管的激光頻率自注入鎖定到微腔諧振頻率上。這種機(jī)制為激光器提供了微腔諧振頻率上的選擇性光反饋，激光線寬被急速壓窄的同時對微腔的熱效應(yīng)進(jìn)行自補(bǔ)償，從而實現(xiàn)孤子態(tài)光頻梳。

圖2 自注入鎖定原理圖Fig.2 Schematic representation of laser injection-locked soliton

1.2 微腔光頻梳器件制備

所有材料都具有三階非線性效應(yīng)［18］。選擇三階非線性系數(shù)大、光局域能力強(qiáng)和增益高的材料體系，是產(chǎn)生光頻梳的關(guān)鍵。目前實現(xiàn)光頻梳的材料體系有SiO2［9-10］，MgF2［8］，Si3N4［19-21］，AlN［22-26］，LiNbO3［27-28］和AlGaAs［29-30］材料的微盤、微環(huán)或微球等微腔結(jié)構(gòu)。其中Si3N4微腔最具光電子集成的潛力，有廣闊的應(yīng)用前景和價值。

氮化硅是集成電路和微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）中常用的絕緣介質(zhì)。用于光頻梳的氮化硅波導(dǎo)需滿足一定的厚度和嚴(yán)格的化學(xué)計量比，以符合光頻梳輸出所需的波導(dǎo)條件。一般采用低壓力化學(xué)氣相沉積儀（Low Pres?sure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）薄膜生長工藝制備Si3N4薄膜。研究人員采用熱循環(huán)法［31］、位錯阻擋法［32-33］和晶向扭曲法［34］來獲得質(zhì)量較好的Si3N4薄膜，并結(jié)合優(yōu)化的制備工藝獲得高Q的微腔器件。早在2009年，康奈爾大學(xué)的Lipson課題組［35］，采用熱循環(huán)法實現(xiàn)了744 nm 厚的Si3N4制備，先在高溫條件下生長一層400 nm Si3N4，然后把溫度降到室溫，再繼續(xù)生長Si3N4到所需厚度，測試結(jié)果為波導(dǎo)損耗0.12 dB/cm，Q值為3×106。他們還在制備工藝的細(xì)節(jié)上進(jìn)行處理，在電子束刻蝕過程中，曝光完成后進(jìn)行5 min 的145 ℃抗蝕劑回流，以此來減少側(cè)壁損耗；刻蝕時將背面的氮化硅刻掉，防止因應(yīng)力過大導(dǎo)致出現(xiàn)碎片。

2016年，普渡大學(xué)的課題組［36］提出采用環(huán)形溝槽（trench）結(jié)構(gòu)可以防止膜破裂。硅襯底上刻蝕出寬10 μm、深120 μm的溝槽，如圖3所示，再進(jìn)行SiO2，Si3N4等的沉積，電子束曝光采用HSQ（一種負(fù)性光刻膠），HSQ 與氮化硅刻蝕選擇比為3∶1。顯影和刻蝕后的側(cè)壁非常陡直。研究表明，高溫退火3 h，可去除殘留在Si3N4中的N-H 鍵，品質(zhì)因子提高一個數(shù)量級，但是更高溫度不會帶來Q值的提升。

圖3 普渡大學(xué)的微腔制備工藝Fig.3 Fabrication process of microresonator in Purdue University

以上方法對Q值的提升空間有限，2016年，Kippenberg 課題組［37］采用大馬士革工藝［37-39］，將Q值提升了一個數(shù)量級。利用α-Si 作為硬掩模先將圖形轉(zhuǎn)移到SiO2上，去掉硬掩模，然后一次生長Si3N4到所需的厚度，采用化學(xué)機(jī)械拋光（Chemi?cal Mechanic Planarization，CMP）將多余的Si3N4磨掉，露出波導(dǎo)層的上表面，工藝制備流程如圖4所示。測試結(jié)果表明：當(dāng)Si3N4厚度不超過刻蝕深度100 nm 時，能夠得到無裂紋的上表面。在1550 nm處，吸收損耗0.01 dB/cm，Q值為2×107。

圖4 大馬士革工藝制備微腔工藝流程圖Fig.4 Photonic Damascene process for Si3N4 microresonator

1.3 微腔光頻梳技術(shù)發(fā)展趨勢

1.3.1 新型材料體系

探究新型材料體系光頻梳的意義在于：一方面可以獲得多種光頻梳平臺，拓展光頻梳的光譜覆蓋范圍和應(yīng)用領(lǐng)域；另一方面可以為激光器與微腔光電集成提供更多可能性。

目前已經(jīng)實現(xiàn)光頻梳的材料體系包括SiO2，MgF2，Si3N4，AlN 和LiNbO3等，此外AlGaAs 也被報道具備實現(xiàn)孤子態(tài)光頻梳的潛力。AlGaAs 相比其他材料具有更高的三階非線性系數(shù)，且對三元化合物的帶寬調(diào)制可避免通信波段的雙光子吸收。2020年NIST 研究人員［30］利用Q大于106的AlGaAs微腔，在超低溫的實驗環(huán)境中（絕對溫度小于20 K），采用正向掃頻法成功實現(xiàn)相位穩(wěn)定的孤子態(tài)光頻梳。2021年上海微系統(tǒng)與信息研究所［40］在Q值7.1×106的SiC 平臺上觀察到光譜范圍1300～1700 nm 的寬帶克爾頻率梳。除此之外，新的材料平臺還包括Ge，SiGe，GaP，GaN，Diamond，α-Si-H，SiOxNy，SiOxCy和As2S3，As2Se3等 新 型硫 化物材料，以及WS2和MoS2等新型二維材料?？赏ㄟ^色散波（切倫科夫輻射）、二次/三次諧波產(chǎn)生技術(shù)對光頻梳進(jìn)行擴(kuò)譜，實現(xiàn)可見光和中、遠(yuǎn)紅外波段的光頻梳拓展。相信隨著新型材料的不斷成熟，相應(yīng)體系的微腔光頻梳的應(yīng)用也會被報道。

1.3.2 倍頻程微腔光頻梳

研究倍頻程光頻梳的意義一方面在于可以獲得更寬范圍的梳齒光譜，以獲得在光譜學(xué)、精密頻率計量學(xué)等領(lǐng)域中更為廣泛的應(yīng)用，另一方面可利用f-2f自參考技術(shù)實現(xiàn)偏置頻率的鎖定。

倍頻程的實現(xiàn)主要通過色散調(diào)控技術(shù)，通過改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)滿足反常色散關(guān)系，獲得不同光譜范圍的輸出。2011年，Lipson 課題組［41］通過色散調(diào)控技術(shù)在氮化硅平臺上實現(xiàn)倍頻程的光頻梳，光譜范圍為1170～2350 nm，重復(fù)頻率為226 GHz。2017年，kippenberg 課題組［42］也利用色散調(diào)控技術(shù)將重復(fù)頻率為1 THz 的光頻梳實現(xiàn)倍頻程，光譜范圍為860～2000 nm。2021年NIST 研究人員［43］利用InP DFB激光器和Si3N4微腔的集成實現(xiàn)了倍頻程的孤子光頻梳（DFB 激光器與Si3N4微腔結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 右上所示），光譜范圍為1090～2400 nm，光譜圖如圖5 所示，重復(fù)頻率為1 THz，實現(xiàn)倍頻程的同時，也實現(xiàn)了混合集成的自注入鎖定孤子光頻梳。

圖5 DFB激光器與微腔自注入鎖定實現(xiàn)倍頻程光頻梳Fig.5 Octave-spanning soliton generation via self-injection locking of a DFB laser

目前能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻程光譜范圍的只有太赫茲重復(fù)頻率的光梳。然而，太赫茲超出了現(xiàn)有電子探測器的帶寬要求，無法通過現(xiàn)有的測試設(shè)備進(jìn)行直接測試。而重復(fù)頻率在吉赫茲的光譜范圍無法實現(xiàn)倍頻程。缺乏自參考，光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性就無法轉(zhuǎn)移到微波頻段。針對這一問題，NIST 研究人員提出采用雙微環(huán)互鎖機(jī)制［44］，如圖6 所示，利用Si3N4微環(huán)產(chǎn)生了1 THz重復(fù)頻率、倍頻程的耗散克爾光頻梳，用來實現(xiàn)fceo的鎖定。通過鎖定后的22 GHz 重復(fù)頻率的SiO2微盤光頻梳對Si3N4微環(huán)的重復(fù)頻率進(jìn)行測量，將22 GHz 的穩(wěn)定性傳遞給1 THz 的光梳，實現(xiàn)光頻梳重頻和偏頻的鎖定。基于微腔光梳的光鐘架構(gòu)利用此種方法，并將光頻鎖定到銣原子氣室，最終實現(xiàn)微型光學(xué)原子鐘。

1.3.3 微腔光頻梳轉(zhuǎn)換效率的提升

目前低相噪的微腔孤子態(tài)光頻梳的泵浦能量轉(zhuǎn)換效率（Pump-to-comb Conversion Efficiency）比較低（3%左右）。更高的轉(zhuǎn)換效率可以降低驅(qū)動電源功率，以實現(xiàn)僅用AAA 電池或小型化鈕扣電池驅(qū)動的微腔光頻梳模塊，同時可獲得單根梳齒光功率毫瓦級的高功率光頻梳，對于提高光頻梳痕量氣體測量信噪比、提升激光雷達(dá)探測距離和生成高功率微波信號都大有裨益。研究人員［45］通過采用正常色散波導(dǎo)微腔產(chǎn)生一種特殊的平頂光譜（Platicon）“暗孤子脈沖”光梳，可以將泵浦能量轉(zhuǎn)換效率提高至30%左右。另外通過設(shè)計雙微環(huán)耦合腔結(jié)構(gòu)，理論上可以將泵浦能量轉(zhuǎn)換效率提高至接近100%。

1.3.4 微腔光頻梳重頻的低相噪化

目前采用微腔光頻梳梳齒拍頻能夠產(chǎn)生較高質(zhì)量的低相噪微波信號，但是由于微腔本身的熱噪聲（包括熱光噪聲、熱彈噪聲、布朗熱運(yùn)動噪聲、熱折射率噪聲、有質(zhì)動力噪聲等）和外部環(huán)境擾動的耦合引起的微腔光學(xué)模式和機(jī)械振動模式間光力耦合噪聲等因素，拍頻產(chǎn)生的微波信號在低頻段相噪仍比較高。未來需要解決微腔光頻梳重頻低頻段相噪較高的問題，實現(xiàn)全頻段低噪聲高質(zhì)量微波信號輸出。

1.3.5 微腔光頻梳芯片的無熱化

目前制備微腔光頻梳芯片的材料（Si3N4，SiO2，AlN，AlGaAs等）都具有一定的正熱光系數(shù)，會導(dǎo)致微腔孤子光頻梳調(diào)制過程中出現(xiàn)熱失穩(wěn)。傳統(tǒng)的反饋環(huán)路主動控溫方式存在系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、成本高、能耗高等弊端。未來可采用LiNbO3，TiO2或者聚合物等具有負(fù)熱光系數(shù)的材料構(gòu)成微腔波導(dǎo)、波導(dǎo)覆蓋層或狹縫復(fù)合波導(dǎo)填充物等結(jié)構(gòu)，有效地補(bǔ)償微腔諧振峰在大功率光泵浦下的熱漂移，實現(xiàn)高溫度穩(wěn)定性的“無熱化”微腔，為研制低成本、集成化的被動式熱穩(wěn)定微腔芯片提供可能。

2 微腔光頻梳的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 光鐘

目前世界上最精準(zhǔn)的時鐘準(zhǔn)確度可達(dá)10-18，為探索基礎(chǔ)物理和實現(xiàn)新的測量提供了可能性。然而，龐大的體積和功耗阻止了它在便攜式可移動設(shè)備中精確授時的應(yīng)用。因此未來原子鐘技術(shù)的發(fā)展方向主要為高精度和小型化。

輸出頻率的相對不確定度（fractional uncer?tainty）可表示為?? ?，其中??為能級躍遷的線寬，?為能級躍遷頻率?？梢酝ㄟ^提高?來改善相對不確定度。微波原子鐘的原子參考躍遷處于微波波段109～1010Hz，而光波段1014～1015Hz 比微波波段高4～5 個數(shù)量級，采用原子的光學(xué)躍遷作參考，可獲得精度更高的原子鐘。然而在光頻測量方面，一般的電子設(shè)備只能測量微波頻率信號，需要把光頻率轉(zhuǎn)化成微波頻率才能進(jìn)行測量。而微腔光頻梳的出現(xiàn)可以在芯片尺度上解決光學(xué)頻率和微波頻率的鏈接問題，實現(xiàn)光學(xué)原子鐘（即光鐘）的小型化。NIST 一直在小型化光鐘研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

2014年，NIST 首次報道了基于微腔光頻梳的光鐘原理樣機(jī)［46］，成功將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換到微波信號上，并保證了相位相干性。其輸出頻率準(zhǔn)確度達(dá)到10-9水平，性能主要受限于參考譜線的穩(wěn)定度。該光鐘原理樣機(jī)系統(tǒng)如圖6 所示，其中Rb D2用于1560 nm 激光器的鎖定，Rb D1 用于1590 nm激光器的鎖定。

圖6 NIST首次提出的基于微腔光頻梳的光鐘原理樣機(jī)系統(tǒng)圖Fig.6 Optical clock based on MFC proposed by NIST

2019年，該課題組進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)的性能和集成度［44］，通過半徑為23 μm 的氮化硅微環(huán)腔產(chǎn)生重復(fù)頻率1 THz 的倍頻程光譜，實現(xiàn)微腔片上自參考，秒穩(wěn)定性達(dá)到10-12，成功實現(xiàn)小型化光鐘系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 NIST提出的小型化光鐘系統(tǒng)Fig.7 Micro optical clock proposed by NIST

2020年，NIST 的研究人員實現(xiàn)了氧化硅微腔光梳到原子氣室的直接鎖定［47］。通過將氧化硅微腔光梳中1529 nm 的梳齒與85Rb 的42D5/2到52P3/2躍遷能級所對應(yīng)的發(fā)射波長鎖定，從而實現(xiàn)整個微腔光梳頻率的鎖定，在幾秒內(nèi)，絕對頻率的波動在千赫茲量級，一天內(nèi)的頻率波動小于1 MHz。此項技術(shù)為后期實現(xiàn)全芯片級的光鐘研制奠定了基礎(chǔ)。

小型化光鐘發(fā)展過程中還有很多技術(shù)問題亟待解決，比如：如何保證光鐘的穩(wěn)定度、可靠性。另外，關(guān)鍵核心器件的研制和光電集成等仍需要深入研究［48］。

2.2 測距和成像

在激光測距領(lǐng)域中，便攜式激光測距儀、小型化激光雷達(dá)、微型無人機(jī)等對測量速度、精度以及測距系統(tǒng)尺寸都有非常嚴(yán)格的要求。微腔光頻梳具有光譜范圍寬、脈寬窄、重復(fù)頻率穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，為絕對距離測量提供了新的技術(shù)手段。目前報道的基于光頻梳的測距方法主要有飛行時間法、合成波干涉法、光譜干涉法等。目前NIST、哈佛大學(xué)、EPFL 等研究團(tuán)隊都致力于開發(fā)基于微腔光梳實現(xiàn)的雙光梳快速測距系統(tǒng)，國內(nèi)天津大學(xué)、西安光機(jī)所、航空工業(yè)計量所等機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行這方面的探索。

2018年2 月，Vahala 課題組［49］首次報道了基于微腔光梳的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，利用時間飛行法進(jìn)行距離測量，測距誤差不高于200 nm。同年，EPFL 研究團(tuán)隊［50］利用微腔光頻梳實現(xiàn)了100 MHz的采樣速率（即每秒1 億次），這是迄今為止所記錄的最快距離測量。在13 μs 時間內(nèi)，阿倫方差為12 nm。應(yīng)用該激光雷達(dá)系統(tǒng)，該研究團(tuán)隊還對以150 m/s 速度飛行的子彈進(jìn)行了探測，成功實現(xiàn)了對子彈的表面結(jié)構(gòu)的實時采樣，橫向分辨力可達(dá)2 μm。該項報道代表了未來小型化、超快速、高精度的激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2020年，Kippenberg課題組進(jìn)一步探究了芯片化光頻梳在相干測距領(lǐng)域的應(yīng)用前景［51］?；谡{(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）的激光雷達(dá)測距可用于自動駕駛中遠(yuǎn)程三維距離測量和速度測量。將單個FMCW 激光器與Si3N4微腔耦合，泵浦激光器的調(diào)頻信號將完整地轉(zhuǎn)移到產(chǎn)生的光頻梳梳齒上，利用光學(xué)衍射技術(shù)將其分開，可創(chuàng)建30 個獨(dú)立的調(diào)頻連續(xù)激光雷達(dá)通道。每個通道均能夠同時測量目標(biāo)的距離和速度，且不受通道串?dāng)_的影響，從而實現(xiàn)了大規(guī)模并行相干激光雷達(dá)測距方案。研究人員演示了每秒3 M 像素采樣速率的平行距離和速度測量，并提出未來相干FMCW雷達(dá)采集率可提高10倍。

2020年，天津大學(xué)和西安光機(jī)所采用基于色散干涉法（Dispersive Interferometry，DPI）的微腔光頻梳測距系統(tǒng)［52］（如圖8 所示），在戶外實現(xiàn)了測距量程1179 m、無測距死區(qū)、35 kHz 采樣速率、0.2 ms艾倫方差測試為5.6 μm的高精度、長距離、超快測試系統(tǒng)。

圖8 基于DPI原理的激光測距戶外裝置Fig.8 Experimental setup of long-distance ranging in an outdoor environment based on DPI

2.3 光譜分析

雙光梳光譜可以在近紅外附近的寬光學(xué)帶寬上提供高信噪比，已應(yīng)用于超寬帶近紅外光譜、亞波長空間分辨力的近場顯微鏡、分子線中心的精密計量、光譜激光雷達(dá)以及溫室氣體監(jiān)測等領(lǐng)域，實現(xiàn)高分辨力、高靈敏度、高帶寬、高測量速率的精密光譜測量［53-55］。

2018年，Lipson 課題組利用微腔組成的雙光梳系統(tǒng)，對CH2Cl2氣體進(jìn)行光譜測量［54］，如圖9所示，光譜吸收展寬達(dá)到170 nm，測試時間僅為20 μs。研究人員指出，進(jìn)一步提高光梳重復(fù)頻率可以實現(xiàn)納秒級別的光譜測試速度。

圖9 雙光梳測光譜的實驗裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of spectroscopy with dual-comb

2.4 頻率合成器

微波頻段的頻率合成器是一種精密可調(diào)、頻率穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)源相當(dāng)?shù)奈⒉ㄐ盘栐矗?6］。隨著計量學(xué)、光譜學(xué)和光通信等相關(guān)學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對相干光源的需求日益增加。并且，光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的精度要遠(yuǎn)優(yōu)于微波頻率，因此要想獲得精度更高的微波信號源，需要對光學(xué)信號進(jìn)行高精度的頻率合成。光學(xué)頻率合成過程一般包括參考光頻、頻率轉(zhuǎn)換和輸出光頻。用于頻率轉(zhuǎn)換的光學(xué)分頻器，是確定光頻信號之間的頻率比值關(guān)系并對其實現(xiàn)精密分頻的核心，然而到目前為止，最終輸出光和參考光的頻率比值也無法精確確定［57］。微腔光頻梳可以提供10 GHz～1 THz 超高重復(fù)率的光頻梳，在毫米波和太赫茲波領(lǐng)域光分頻技術(shù)中具有重大潛力。

早在2014年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）就啟動了“直接片上數(shù)字光合成器”（DODOS）項目，旨在獲得強(qiáng)大的光學(xué)頻率控制能力，并在2018年取得重大進(jìn)展。由NIST 帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊實現(xiàn)了微型化的光學(xué)頻率合成器［58］。該系統(tǒng)由可調(diào)諧激光器芯片、微腔雙光頻梳的集成芯片、泵浦激光器芯片和光放大芯片組成。將一個快速可調(diào)諧、窄線寬的硅基Ⅲ-Ⅴ族二極管激光器鎖定至穩(wěn)定的光頻梳上作為頻率合成器的輸出。光頻梳由1.014 THz的Si3N4光頻梳和22 GHz的SiO2光頻梳組成，通過對重復(fù)頻率（frep，THz和frep，GHz）和偏置頻率（fceo，THz）進(jìn)行相位穩(wěn)定，建立從10 MHz微波到光頻的精確倍增因子19403904。通過編程和動態(tài)步進(jìn)輸出頻率，可實現(xiàn)32 nm 的調(diào)諧范圍，1 s內(nèi)7×10-13的頻率穩(wěn)定性。

2019年，英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory，NPL）研究人員報道了利用單行進(jìn)載波二極管（UTC-PD）將低噪聲、重頻為331 GHz 的孤子脈沖轉(zhuǎn)化成太赫茲脈沖的光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)［59］。產(chǎn)生的太赫茲信號的阿倫方差為4.5×10-9， 在10 MHz 的偏置頻率下的相位噪聲為-118 dBc/Hz，1 s 內(nèi)的頻率穩(wěn)定度為9.6×10-15。

2.5 低信噪微波源

隨著通信、電子戰(zhàn)等微波（0.3～300 GHz）系統(tǒng)中處理的信號復(fù)雜度越來越高，對芯片級、低功耗、可集成的低相噪微波頻率源的需求日益增加。目前基于CMOS技術(shù)的微波振蕩器在尺寸和功耗方面都表現(xiàn)良好，唯一的不足是缺乏良好的相位噪聲性能，而采用光子源則可以避免集成電路中固有的電子噪聲和帶寬限制。光頻梳梳齒之間的拍頻范圍處于微波波段，可以將其作為一個微波源。

2020年，kippenberg 課題組［60］利用重復(fù)頻率為14 GHz 的克爾光頻梳，輸出絕對相位噪聲低于-60 dBc的超低噪聲微波參考信號，偏移頻率為1 Hz 時，相位噪聲功率譜密度為-60 dBc/Hz；偏移頻率為10 kHz 時，相位噪聲功率譜密度為-135 dBc/Hz。同年該團(tuán)隊［61］相繼報道出微波K波段（約20 GHz，用于5G）以及X波段（約10 GHz，用于雷達(dá)）的微波信號輸出，如圖10所示。

圖10 氮化硅微腔光頻梳產(chǎn)生的微波信號原理示意圖Fig.10 Concept of microwave generation using an integrated Si3N4 soliton microcomb

繼EPFL 報道的低噪聲微波波段和NPL 報道的太赫茲波段之后，IMRA America 公司［62］利用光頻梳作為光子源，將低噪聲GPS 約束的10 GHz 介電共振振蕩器（DRO）通過相位調(diào)制器鏈接到光頻梳上，獲得10 kHz 和1 MHz 的相位噪聲功率譜密度 分 別 為-88 dBc/Hz 和-105 dBc/Hz 的300 GHz 的低噪聲微波信號，頻率穩(wěn)定性為1 s內(nèi)2×10-15。

2021年，該公司在噪聲性能測試技術(shù)方面獲得突破。研究人員利用超快單載波光電二極管（UTC-PD）對產(chǎn)生的低噪聲信號進(jìn)行測試，產(chǎn)生了阿秒級的時間噪聲靈敏度，可以實現(xiàn)-100 dBc/Hz的相位噪聲測試，比現(xiàn)有水平低一個數(shù)量級，體現(xiàn)了超高的噪聲分辨力。

2.6 相干通信

光頻梳的每一根梳齒都可以看作是相干的單色光光源，利用波分復(fù)用技術(shù)將信息編碼到不同頻率的載波上，可滿足大規(guī)模相干通信的要求，不僅極大地減小了通信系統(tǒng)體積，還具有載波數(shù)多、相噪低等優(yōu)勢。

2017年，kippenberg 課題組［63］進(jìn)行了相關(guān)演示實驗，利用產(chǎn)生的孤子態(tài)光頻梳中C 波段和L 波段的94個載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用正交振幅調(diào)制，實現(xiàn)30.1 Tbit/s的傳輸速率；利用兩個光頻梳通過光交叉復(fù)用技術(shù)將載波數(shù)翻倍，實現(xiàn)了75 km 的55 Tbit/s 傳輸速率（原理如圖11 所示），是目前單芯光纖數(shù)據(jù)傳輸能實現(xiàn)的最高速率。采用多芯單模光纖，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)661 Tbit/s。

圖11 雙光梳交叉復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸原理圖Fig.11 Principle of data transmission using a pair of interleaved DKS combs at the transmitter

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的計算需求呈指數(shù)級增長，數(shù)據(jù)中心的能源消耗與日俱增，目前的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能完全滿足低延遲、高帶寬和可擴(kuò)展性等性能要求，而光頻梳在大規(guī)模相干通信領(lǐng)域體現(xiàn)出的巨大潛力，激發(fā)其在通信系統(tǒng)中扮演更多的應(yīng)用角色，基于光頻梳的超快光路交換機(jī)（Optical Circuit Switching，OSC）、集成硅光發(fā)射機(jī)等器件應(yīng)運(yùn)而生。

2021年，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院與微軟研究院合作［64］，演示了一種基于微腔光頻梳和半導(dǎo)體光放大器的超快全光交換機(jī)，實現(xiàn)了亞納秒（小于520 ps）波長切換以及25 Gbit/s的基帶傳輸和50 Gbit/s的四電平脈沖幅度調(diào)制突發(fā)模式數(shù)據(jù)傳輸。利用基于InP 的光放大器陣列和波導(dǎo)光柵陣列組成的光子集成電路，實現(xiàn)了亞納秒（小于900 ps）波長切換和25 Gbit/s非歸零突發(fā)模態(tài)傳輸。

超快全光交換機(jī)模型中，64 個不同波長的梳齒被分離出來分布在不同時間段的機(jī)架上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用級聯(lián)放大器放大單個梳齒光源的功率，使用馬赫曾德爾調(diào)制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼實現(xiàn)快速光電交換機(jī)。這種使用光信號（而非電信號）在計算節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息的方式可以極大地降低能量消耗、增加帶寬、提高容錯能力并減少管理成本，從而有效地支持動態(tài)數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)載。

2021年，哥倫比亞大學(xué)研究人員［65］首次展示了基于克爾光頻梳的集成硅光發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)模型如圖12 所示，將獨(dú)立的信息通道編碼到同一光纖中不同顏色的光上，實現(xiàn)低能量的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸。該發(fā)射機(jī)具有32 個波長通道，單通道帶寬最高可達(dá)16 G，因此單根光纖傳輸速率最高為512 Gbit/s。所有線路均沒有前向糾錯的情況下，在10 Gbit/s和16 Gbit/s時，直接測量的誤碼率均優(yōu)于10-9。研究人員稱未來數(shù)據(jù)中心互連規(guī)?？砂l(fā)展到數(shù)百個波長通道，兆比特每秒的片間傳輸工作能耗將低于1 pJ/bit，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗、太比特級鏈路連接。

圖12 基于克爾光頻梳的集成硅光發(fā)射機(jī)模型Fig.12 Model of a data center based on Kerr frequency comb-driven silicon photonic transmitter chip

3 總結(jié)與展望

從非線性光學(xué)產(chǎn)生和器件制備方面介紹了微腔光頻梳的發(fā)展現(xiàn)狀，通過分析技術(shù)存在的瓶頸，對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述和預(yù)測，包括新型材料體系研究、倍頻程光頻梳研制、光頻梳轉(zhuǎn)化效率提升、重頻低噪化、芯片無熱化等方面。根據(jù)已報道的研究資料介紹了微腔光頻梳在光鐘、測距和成像、光譜分析、頻率合成器、低信噪微波源和相干通信等領(lǐng)域表現(xiàn)出的巨大應(yīng)用價值。這些應(yīng)用場景下的原理樣機(jī)驗證實驗陸續(xù)在實驗室內(nèi)完成，但真正實現(xiàn)片上系統(tǒng)的應(yīng)用還需在光電集成技術(shù)方面發(fā)力，包括利用先進(jìn)的鍵合或者異質(zhì)外延等技術(shù)來實現(xiàn)微腔光頻梳芯片與泵浦光源的混合集成，另外光頻梳本身的穩(wěn)定性仍需深入研究，以保證應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。未來，具有高精度的芯片級微腔光頻梳還可應(yīng)用于波長定標(biāo)、系外行星搜索、宇宙膨脹速度、原子核頻譜等精密測量領(lǐng)域中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和市場價值。