Light | 从可见到红外：碳化硅孤子光频梳

中国光学 2023-06-04

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光学频率梳(Optical frequency comb)是一种特殊的光源，其在频率域上具有严格相等的频率间隔，类似梳齿，所以被形象的称为“光频梳”。锁模的“光频梳”经傅里叶变换到时域上，则是一种在传播过程中可以维持波形不变的超短脉冲。

光频梳技术被广泛应用于精密测量、光谱学和量子传感上，并产生了革命性的影响。因此两位为光频梳发展做出重要贡献的科学家分享了2005年的诺贝尔物理学奖。早期的光频梳实现系统体积庞大且成本昂贵，在过去的十几年中，大量的研究工作致力于将这项技术在芯片级的平台上实现，尤其是基于低损耗微谐振腔的克尔孤子光频梳。借助于成熟的微纳加工工艺，芯片级的光频梳有望实现重量、功耗和成本的显著降低，从而推动光频梳在激光雷达、相干通信、微波光子等领域更加广泛的应用。

未来用于实现芯片级高性能光频梳生成的集成光子材料平台通常需要具备合适的折射率、高非线性系数、低光学损耗等特性；另外，材料平台是否与微电子CMOS工艺兼容也是一个重要的衡量指标，因为借助成熟的CMOS工艺平台可以实现规模化芯片制造，进而具备低成本、高集成度、高可靠性的应用优势。

当前，氮化硅、硅、铌酸锂、III-V族半导体、碳化硅、氮化铝等非线性光子薄膜平台先后被开发用于实现孤子光频梳。其中，碳化硅（Silicon carbide，SiC）在光学损耗、二阶/三阶非线性系数、CMOS兼容特性以及量子光源方面具有较为全面的性能优势，其在集成光学上的应用前景被广泛关注。

碳化硅是第三代半导体中的核心材料，在电动汽车、5G通信、高压电子等领域已经发挥着不可替代的作用。但在光子集成特别是孤子光频梳领域，碳化硅还是一种新兴的材料平台，其在孤子产生、频率转换方面的性能优势还有待探索。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣团队与中国科学技术大学董春华团队、华东师范大学程亚团队以及深圳国际量子研究院的刘骏秋团队合作，在碳化硅的微腔孤子光频梳方面取得了重要进展。

研究团队在利用异质集成技术将高纯碳化硅晶圆与氧化硅绝缘衬底进行高强度键合，结合精密减薄技术，制备出晶圆级绝缘体上碳化硅薄膜（SiCOI），并采用飞秒激光光刻的方法制备了碳化硅微谐振腔，谐振腔的Q值可达4.5×10⁶。基于该谐振腔，在39mW的光泵浦下，可以产生谱宽为500 nm的光学频率梳。

该研究成果以“Soliton Formation and Spectral Translation into Visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform”为题发表在Light: Science & Applications。该研究工作得到了国家重点研发计划项目（2022YFA1404600），上海市基础研究项目（22JC1403300）等的支持。

图1：SiC孤子单孤子、双孤子的产生及其孤子噪声谱

微腔中孤子的产生源于微腔损耗和参量增益、色散和非线性效应的双重平衡，实验上，需要优化微腔色散和仔细调节泵浦激光与微腔模式的相对位置来达到。

研究团队所测定的碳化硅的热光系数为4.67×10^-5 K^-1，这意味着基于微腔热效应对孤子平衡态的影响较大，不利于孤子的稳定产生。

研究团队采用了辅助光热补偿的方法，来达到碳化硅孤子的稳定产生，并进一步实现了SiC平台的单孤子、双孤子和多种孤子晶体的观测（图1）。这也是目前国际上首次在室温条件下产生碳化硅芯片上的孤子光频梳。

图2：基于二阶和三阶非线性效应的频率转换原理

相较于目前主流的光频梳平台氮化硅（Silicon nitride），碳化硅同时具有的高的本征二阶和三阶非线性效应，可以为跨频段的宽谱光频梳产生提供新的技术方案。

原理如图2所示。红外泵浦激光（通常在1550nm附近）耦合进入微腔之后，红外波段的光频梳将由四波混频效应（三阶非线性）产生，而由于二阶非线性效应，在相位匹配条件满足的情况下，同一频率的红外梳齿或相近的两个红外梳齿将产生谐波效应或者和频效应（二阶非线性），进而在可见光或近可见光波段生成具有同等频率间隔的光频梳。

图3：SiC微腔从红外到可见光频梳产生的动态过程

研究团队对从红外到可见光频梳产生过程的进行了动态观测。随着泵浦激光与微腔模式的失谐量减小，红外和可见光频梳逐渐密集，各个过程梳齿之间的频率关系满足倍频关系。

研究工作在150mW的泵浦光功率，可以实现超过150条可见光频率梳的产生，从红外到可见波段的转换效率高于目前氮化铝平台约一个量级。

研究团队基于碳化硅微腔实现的从红外到可见波段的光频梳对未来拓宽光频梳技术在光谱学上的应用以及实现频梳的片上自参考锁定具有重要的意义。

论文信息

Wang, C., Li, J., Yi, A. et al. Soliton formation and spectral translation into visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator platform. Light Sci Appl 11, 341 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01042-w