紧凑型光频梳为下一代光子学指明道路

在现代光学领域，频率梳是非常宝贵的工具。这些装置就像测量光的尺子，使通信、环境监测甚至天体物理学领域取得了突破性进展。但是，制造紧凑高效的频率梳到现在仍是一项挑战。

1993 年问世的光电频率梳显示出通过级联相位调制产生光学频率梳的前景，但由于其功率要求高、带宽有限，进展速度放缓。

这导致飞秒激光器和克尔孤子微梳子成为该领域的主导，它们虽然有效，但需要复杂的调谐和高功率，限制了现场使用。

不过，最近在薄膜光电集成光子电路方面取得的进展重新激发了人们对铌酸锂等材料的兴趣。然而，以较低的功率实现更宽的带宽仍然是一个挑战，铌酸锂的固有双折射也为可实现的带宽设定了上限。

现在，洛桑联邦理工学院（EPFL）、科罗拉多矿业学院和中国科学院的科学家们通过在新开发的钽酸锂平台上结合微波和光路设计，解决了这一难题。与铌酸锂相比，钽酸锂的本征双折射降低了 17 倍。

这项研究成果发表在《自然》杂志上。

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集成混合光电频率梳发生器。可在小于1平方厘米的平面内生成2000多条梳状线，覆盖450nm光谱。

在 Tobias J. Kippenberg 教授的领导下，研究人员开发出一种电光频率梳状发生器，实现了前所未有的 450 nm 光谱覆盖范围，梳状线超过 2,000 条。与以前的设计相比，这一突破扩大了设备的带宽，并将微波功率需求降低了近 20 倍。

研究小组引入了一种 “集成三重谐振 ”架构，在这种架构中，三个相互作用的场--两个光学场和一个微波场--和谐共振。这是通过一种将单片微波电路与光子元件集成在一起的新型协同设计系统实现的。

通过在钽酸锂光子集成电路上嵌入分布式共面波导谐振器，研究小组显著提高了微波约束和能量效率。

利用钽酸锂较低的双折射特性，该装置的尺寸非常小巧，仅占 1x1 平方厘米的空间。这最大限度地减少了光波之间的干扰，从而实现了平滑一致的梳状频率生成。此外，该装置使用一个简单、自由运行的分布式反馈激光二极管进行操作，因此比同类的克尔孤子装置更易于使用。

新型梳状信号发生器的超宽带跨度（覆盖 450 纳米）超过了当前电光梳状频率技术的极限。它能在 90% 的自由光谱范围内稳定工作，无需复杂的调谐机制。这种稳定性和简易性为实际的现场部署应用打开了大门。

这种新设备可以说是光子学界的一次范式转变。凭借其坚固的设计和紧凑的占地面积，它可以影响机器人等领域，因为在这些领域，精确的激光测距至关重要；还可以影响环境监测等领域，因为在这些领域，精确的气体传感至关重要。

此外，这种协同设计方法的成功凸显了微波和光子工程在下一代设备中的整合潜力。

所有样品都是在 EPFL 微纳技术中心（CMi）和物理研究所（IPHYS）的无尘室中制作的。LTOI 晶圆是在上海新硅聚合半导体（NSIT）和 SIMIT-CAS 制造的。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08354-4