Nature：諾獎(jiǎng)技術(shù)光頻梳再獲重大突破！

  研究亮點(diǎn)：

  1. 基于薄膜鈮酸鋰光子學(xué)平臺(tái)搭建了一種集成的電光調(diào)制(EO)光頻梳發(fā)生器。

  2. 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的寬頻帶的EO光頻梳，在保證色散控制的前提下，實(shí)現(xiàn)了高EO響應(yīng)、極低光損耗、高度共局域的微波場(chǎng)和光場(chǎng)。

  光頻梳前景無限

  光學(xué)頻率梳是激光技術(shù)領(lǐng)域的重大革新，2005年，Theodor H?nsch 和John L. Hall因?yàn)閷?duì)光頻梳技術(shù)的開創(chuàng)性工作，獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光頻梳是由離散的、等間距頻率的光學(xué)分量構(gòu)成，是光通信、精密測(cè)量、計(jì)時(shí)、光譜學(xué)領(lǐng)域十分重要的工具。

TheodorH?nsch(左) 和John Hall(右)

2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

  近年來，光頻梳被用于在加快光纖傳輸速度方面再度引起關(guān)注。2015年，加州大學(xué)圣地亞哥分校Nikola Alic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)通過“頻率梳”裝置，預(yù)測(cè)并解決了光纖傳播信息過程中的信號(hào)失真問題，在不使用中繼器的情況下，有效傳輸舉例能夠突破1.2萬公里，即可直接傳輸比通常情況強(qiáng)20倍的信號(hào)。2017年，來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員(Tobias J.Kippenberg和Christian Koos團(tuán)隊(duì))在Nature上報(bào)道，采用一對(duì)氮化硅微諧振器光頻梳，以179個(gè)獨(dú)立的載波波長，可通過75公里的單模光纖傳輸50兆比特的數(shù)據(jù)，極大地提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，這相當(dāng)于超過50億臺(tái)手機(jī)或者200萬路高清電視的通信容量。這些新發(fā)現(xiàn)將有助于帶來更快、更廉價(jià)的光纖網(wǎng)絡(luò)。

  參考文獻(xiàn)：PabloMarin-Palomo, Tobias J. Kippenberg, Christian Koos et al.: Microresonator-basedsolitons for massively parallel coherent optical communications, Nature 2017,546, 274-279.

  光頻梳發(fā)展的障礙

  目前，寬頻帶的光頻梳通常由鎖模激光器或具有三階科爾非線性的、色散控制的諧振腔產(chǎn)生。此外，也可在強(qiáng)二階非線性諧振腔中采用電光(EO)相位調(diào)制來產(chǎn)生光頻梳，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是所得光頻梳穩(wěn)定性、可控性優(yōu)異。然而，先前報(bào)道的EO光頻梳存在頻帶較窄的問題，原因是自由空間通信系統(tǒng)中EO相互作用弱，且缺乏色散控制。

  EO光頻梳新突破

  有鑒于此，哈佛大學(xué)MarkoLon?ar團(tuán)隊(duì)和斯坦福大學(xué)Joseph M. Kahn團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種集成的電光調(diào)制(EO)光頻梳發(fā)生器，可產(chǎn)生穩(wěn)定的寬頻帶光頻梳。

圖1. 集成的EO光頻梳發(fā)生器

  研究人員利利用薄膜鈮酸鋰光子學(xué)平臺(tái)搭建了集成的EO光頻梳發(fā)生器，在保證色散控制的前提下，實(shí)現(xiàn)了高EO響應(yīng)、極低光損耗、高度共局域的微波場(chǎng)和光場(chǎng)?；趯?shí)驗(yàn)所測(cè)EO光頻梳的頻率范圍超過整個(gè)L波段(超過900個(gè)光頻齒，對(duì)應(yīng)~10 GHz的跨度)，且未來的色散控制可進(jìn)一步產(chǎn)生跨倍頻程的光頻梳。與先前基于磷化銦和硅平臺(tái)的集成EO梳相比，該器件的梳齒寬度增加了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

  此外，光頻梳發(fā)生器對(duì)調(diào)制頻率失諧具有高的耐受性，在橫跨7個(gè)數(shù)量級(jí)的頻帶范圍內(nèi)(10 Hz-100 MHz)可以很好的控制光頻齒的間隔;利用這個(gè)特點(diǎn)，作者在單諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雙頻梳。

圖2. EO雙頻梳

  小結(jié)

  這些結(jié)果都證明集成EO光頻梳發(fā)生器能產(chǎn)生頻帶寬、信號(hào)穩(wěn)定的梳狀譜。其優(yōu)異的可重構(gòu)性對(duì)于集成的科爾光頻梳是很好的補(bǔ)充，為光譜學(xué)、光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用做出了重要推動(dòng)作用。

  參考文獻(xiàn)

  Mian Zhang, Brandon Buscaino,Cheng Wang, Amirhassan Shams-Ansari, Christian Reimer, Rongrong Zhu, Joseph M.Kahn & Marko Lon?ar. Broadband electro-optic frequency combgeneration in a lithium niobate microring resonator. Nature, 2019.

  DOI: 10.1038/s41586-019-1008-7

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1008-7