使用片上光学频率梳产生光子微波

在现在这个信息社会，无线网络、电信、雷达等电信和微波信号的合成、分发和处理无处不在。目前的趋势是使用高频段的载波，尤其是5G和 "物联网 "等需求带来的带宽瓶颈的出现，使得载波的使用成为了趋势。微波光子学，是微波工程和光电子学的结合，或许可以提供一个解决方案。

微波光子学的一个重要组成部分是光学频率梳，它可以提供数百条等距且相干的激光线。它们是具有稳定重复率的超短光脉冲，精确地对应于梳齿线的频率间隔。脉冲的光电检测产生微波载体。

近年来，由连续波激光器驱动的非线性微谐振器产生的芯片级频率梳取得了重大进展。这些频率梳依赖于耗散的Kerr孤子的形成，这些孤子是在光学微谐振器内部循环的超短相干光脉冲。因此，这些频率梳通常称为“孤子微梳”。

产生孤子微梳需要非线性微谐振器，这些谐振器可以使用CMOS纳米制造技术直接构建在芯片上。与电子电路和集成激光器的集成，为小型化铺平了道路，从而允许在计量学，光谱学和通信领域进行大量应用。

由Tobias J. Kippenberg领导的EPFL研究小组在《Nature Photonics》上发表的论文现已展示出重复频率低至10 GHz的集成孤子微梳。这是通过显着降低基于氮化硅的集成光子波导的光损耗来实现的，氮化硅是一种已在CMOS微电子电路中使用的材料，并且在过去的十年中也被用于构建引导激光片上光的光子集成电路。

科学家能够制造出在任何光子集成电路中损耗最低的氮化硅波导。使用这项技术，所产生的相干孤子脉冲在微波K-（约20 GHz，用于5G）和X波段（约10 GHz，用于雷达）中均具有重复率。

所产生的微波信号具有与商用电子微波合成器相同甚至更低的相位噪声特性。集成孤子微梳在微波重复频率上的演示桥接了集成光子学，非线性光学和微波光子学的领域。

EPFL小组实现了足够低的光学损耗，以允许光在直径仅为1微米或比人发小100倍的波导中传播近1米。该损耗水平仍比光纤中的损耗水平高三个数量级以上，但代表了迄今为止对于集成非线性光子学而言任何严格限制的波导中的最低损耗。

如此低的损耗是EPFL科学家开发的一种新制造工艺的结果，即“氮化硅光子Damascene工艺”。该论文的第一作者，EPFL MicroNanoTechnology（CMi）中心领导氮化硅制造的Junqiu Liu说：“当使用深紫外步进光刻技术进行该工艺时，就低损耗而言，它确实具有惊人的性能，而传统的纳米加工技术则无法实现这种低损耗。”这些微梳子及其微波信号是未来雷达和信息网络架构构建完全集成的低噪声微波振荡器的关键要素。”

EPFL团队已经在与美国的合作者合作，开发结合了芯片级半导体激光器的混合集成孤子微梳模块。这些高度紧凑的微梳子可以影响许多应用程序，例如数据中心中的收发器，LiDAR，紧凑型光学原子钟，光学相干层析成像，微波光子学和光谱学。

原文链接：https://phys.org/news/2020-04-photonic-microwave-on-chip-optical-frequency.html