光芯片集成的光频梳技术 | 应用物理前沿推介系列No.3

前言

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

✦  +

+

本期推介

光芯片集成的光频梳技术

1

研究意义与研究价值

光频梳技术自20世纪末以来得到了飞速发展，如今已被广泛应用于光原子钟、光谱学、精密测量等应用中。光频梳在时域上是周期性的超短激光脉冲，在频域上是由一系列严格等间隔频率的连续光分量组成。因此，光频梳作为一把测量频率和时间的尺子，在光原子钟、频率生成、时频传递、天体观测、物理基本常数测量上有着广泛且深刻的应用。正因如此，2005年诺贝尔物理学奖的一半授予了在光频梳领域作出奠基性工作的科学家。

图1 目前已经实现光芯片集成光频梳的材料平台，包括氮化硅Si₃N₄，氮化铝AlN， 二氧化硅silica，铌酸锂LiNbO₃，碳化硅SiC，砷化铝镓AlGaAs，磷化镓GaP，高折射率玻璃Hydex，等。图片来源参考文献[5，11，1，12，16，17，19，20]。

2

研究现状及国内外进展

目前光频梳生成的主要机制还是基于锁模激光器和光子晶体光纤超连续光谱产生。经过20多年发展，这项技术已经实现商业化，用户可购买光频梳仪器开展实验和应用。然而这些商业化的光频梳仪器整体系统十分精密复杂，体积庞大，而且价格极其昂贵，从而制约了该技术更广泛的应用。因此研究新型小型化光频梳已成为当今光学领域一个重点前沿方向。

2007年，德国科学家团队首次在超高品质因子的光学微谐振腔里实现了基于Kerr非线性的光频梳生成[1]，开辟了一个新领域——微腔光频梳（microcomb[2,3]，以下简称“微梳”）。2014年，瑞士科学家团队首次实现基于耗散Kerr孤子的相干微梳（以下简称“孤子微梳” [4]）。微梳具有体积小、能耗低、可控度高等特点。特别是利用半导体纳米微加工技术，光学微腔可以在集成材料中实现，例如氮化硅。2010年，美国科学家团队演示了氮化硅光芯片集成的微梳生成[5]。此项工作开创性地将集成光学、非线性光学和光频梳技术结合[6,7]。基于集成微腔的光频梳仅芯片大小，生产成本低，适用于工业化大量成产，有望在未来成为光频梳的主流平台。

2022年2月，瑞典查尔姆斯理工大学科学家团队在预印版平台arXiv上发表了超高转换效率的Kerr孤子微梳[8]。该工作使用了先进的CMOS氮化硅减法工艺实现了高达2000万的品质因子Q的片上氮化硅微环谐振腔[9]，从而实现了工作在低泵浦功率（~ 8 mW）的Kerr孤子微梳。在器件设计方面，该工作引入了双环谐振腔的设计，即在FSR为100 GHz的主微环附近引入了一个FSR为1 THz的辅助微环，且两个微环之间有强耦合。当两个微环的谐振峰重合时，两个谐振峰发生了模式杂化。这种模式杂化直接改变了Kerr孤子微梳的形成动力学过程。这种新的机制使得泵浦波长和谐振峰之间有非常小的失谐，从而将泵浦功率有效地耦合进主谐振腔中。该工作实现了泵浦光到Kerr孤子微梳的转换效率高达55%。相对于之前100 GHz重复频率的Kerr孤子微梳，能量转换效率提升了超过20倍。此外，该工作的仿真结果表明，通过合理地优化实验和样品结构参数，包括泵浦光功率、泵浦光失谐、微环耦合强度等，Kerr孤子微梳的转换效率可以高达99%，光谱范围可以完整覆盖通信C+L波段，且每根梳齿的功率大于 -5 dBm，能够满足绝大部分集成芯片的应用。该工作解决了目前Kerr孤子光频梳的一个技术难题，同时充分展示了基于CMOS光芯片集成的光频梳的技术潜力和应用前景。

目前，除了氮化硅，多种CMOS集成材料也已经被用于生成片上微梳，这些材料包括二氧化硅[1,10]、氮化铝[11]、铌酸锂[12-15]、碳化硅[16]、砷化铝镓[17,18]、磷化镓[19]和高折射率玻璃Hydex[20]等。以下将着重介绍部分材料相应的进展：

二氧化硅：

二氧化硅（SiO₂）是最早被用来实现微梳的CMOS材料平台[1]，而且最新的制备工艺可以实现通讯波段10⁹的品质因子Q[10]。然而，二氧化硅在CMOS工艺中往往用于光波导的包层。因此，要限制光在二氧化硅微腔中，必须要制备空气悬浮的二氧化硅微碟形或微球形光学微腔、并使用拉锥光纤与微腔耦合。二氧化硅微腔无法使用光子集成回路（photonic integrated circuit，PIC）来实现，不适合CMOS大规模制备，且整个光纤耦合系统对封装要求极高。加州理工团队2003年在国际上首次实现超高品质因子的二氧化硅微腔，也是目前二氧化硅微腔品质因子最高纪录保持者[10]，并基于此实现一系列重要微梳技术。目前国内能制备超高品质因子（Q超过10⁸）二氧化硅微腔的团队较多。

氮化硅：

氮化硅（Si₃N₄）是目前最为主流的、全CMOS工艺兼容的、PIC技术成熟度最高的材料平台。氮化硅是继硅和磷化铟之后第三大集成光学主流材料平台，且在通讯1550 nm波段没有双光子吸收。更重要的是，目前基于氮化硅的环形微腔可达到超过10⁷的品质因子[9，21，22]，为所有基于PIC实现的光学微腔材料中最高。目前国际上超低损耗氮化硅PIC制备技术最为成熟的是美国哥伦比亚大学[21]、瑞士洛桑联邦理工学院[22]和瑞典查尔姆斯理工学院[9]，以及美国国家标准与技术局、普渡大学、加州大学洛杉矶分校等。目前国内也有较多团队正在开展工艺研发。

铌酸锂：

近年来，随着利用离子刀实现薄膜铌酸锂转移到硅片的技术成熟，基于铌酸锂的PIC技术得到了飞速发展。目前，铌酸锂PIC也可以达到dB每米的量级的光损耗[13]甚至更低[14]，用于构建高Q集成光学微腔。同时，由于铌酸锂同时具备二阶和三阶非线性，铌酸锂微梳既可以是基于Kerr非线性的微梳，也可以是基于强电光调制的微梳（electro-optic comb）[15]。由于国内薄膜铌酸锂技术产业的高度成熟，目前在制备超低损耗铌酸锂PIC，我国科学家在国际上位列第一梯队。国际上主要领跑者有美国哈佛大学、罗彻斯特大学和耶鲁大学等；国内有中山大学、华东师范大学、香港城市大学、上海交通大学、南开大学等。

碳化硅：

碳化硅作为第三代半导体材料广泛应用于功率器件，近年来也被用于集成光学。碳化硅有诸多优秀的光学品质，如：宽禁带，光透明波长范围宽；同时具有二阶和三阶非线性，以及压电特性；可注入并实现NV色心等。目前，薄膜碳化硅转移到硅片的技术正趋于成熟。目前在制备低损耗氮化硅PIC，我国科学家在国际上位列第一梯队。国际上正在开展研究的团队有美国斯坦福大学、卡内基梅隆大学、悉尼大学；国内正在开展研究并取得重要成果的团队有中科院上海微系统所[16]。

3

难点和挑战

目前的微梳技术在光学相关指标上，还远没有达到基于锁模激光器的光频梳技术水平。目前微梳技术的发展面临和需要克服的挑战有以下几点。           

同时实现倍频程光谱宽度、微波重复频率的相干孤子微梳

光频梳的全稳定需稳定两个自由度，即重复频率（f_rep）和载波漂移频率（f_ceo）。重复频率的稳定需要光电探测孤子微梳脉冲的重复频率，但要求重复频率在微波波段（一般不超过20 GHz）。载波漂移频率的稳定需要光谱宽度达到一个倍频程（octave spanning），从而得以实现f-2f自参考（self-referencing）。目前国际上基于氮化硅的孤子微梳技术已经可以实现微波重复频率[23]，或倍频程光谱[24]，但是两者同时实现尚未达成。

提高孤子微梳的能量效率

孤子微梳的形成依赖连续光泵浦，但是其连续光到孤子脉冲的转换效率一般远小于1%。因此，大量复杂的、难以被芯片集成的器件，如光放大器、微波放大器等，需要被引入到总系统中，也极大的限制了孤子微梳的最小重量、体积和能耗。此外，被光放大后的孤子微梳的光学信噪比被降低。总之，提高能量转换效率来提高孤子脉冲的总能量，将极大的促进孤子微梳的实际应用。目前国际上已经提出[25]和证实[8]双环结构将可以显著提高孤子微梳形成的能量转换效率（前文已重点介绍）。

控制孤子微梳的频谱形状

控制孤子微梳的频谱形状。孤子微梳的频谱一般为sech²形状[4]。然而在很多应用中，如光谱学和光通讯，需要长方形的孤子微梳频谱形状。如何实现任意形状的孤子微梳频谱，且保证频谱相干性，目前国际上缺少相关研究和方案。

全异质集成孤子微梳芯片模块

这是实现小型化、大规模生产与应用（尤其是空间科学应用）光频梳技术的重要里程碑。目前，国际上先后分别实现了超低损耗氮化硅PIC与硅/磷化铟激光器[26]、调制器[27]、光电探测器[28]的混合或异质集成，但是没有一个工作将所有功能集成在同一芯片上。

4

推介理由

基于光芯片上集成的微梳技术的发展，不仅可以实现传统光频梳技术在光原子钟、光谱学、频率生成和传递等应用，也可以发展出新的应用，包括光通信、光计算和平行多通道激光雷达。未来的信息系统将需要生成和处理越来越多的数据，后者的应用显得尤为重要。光频梳与光芯片技术融合将是未来光学研究最重要的方向之一，因此当前有必要大力发展此项技术，实现独立自主创新，并在在民用、军用和军民融合上发挥作用。

推介人

刘骏秋 深圳国际量子研究院，研究员。主要研究集成光学、非线性光学、量子光学、微机电系统和微波光子学等。

参考文献

1. P. Del’Haye et al. Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator. Nature 450, 1214 (2007).

2. T. J. Kippenberg et al. Microresonator-Based Optical Frequency Combs. Science 332, 555 (2011).

3. T. J. Kippenberg et al. Dissipative Kerr solitons in optical microresonators. Science 361, eaan8083 (2018).

4. T. Herr et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nature Photonics 8, 145 (2014).

5. J. S. Levy et al. CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects. Nature Photonics 4, 37 (2010).

6. D. J. Moss et al. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics 7, 597 (2013).

7. A. L. Gaeta et al. Photonic-chip-based frequency combs. Nature Photonics 13, 158 (2019).

8. O. B. Helgason et al. Power-efficient soliton microcombs. arXiv 2202.09410 (2022).

9. Z. Ye et al. Integrated ultra-compact high-Q silicon nitride microresonators for low-repetition-rate soliton microcombs. Laser & Photonics Reviews 16, 2100147 (2021).

10. L. Wu et al. Greater than one billion Q factor for on-chip microresonators. Optics Letters 45, 5129 (2020).

11. H. Jung et al. Optical frequency comb generation from aluminum nitride microring resonator. Opt. Letters 38, 2810 (2013).

12. Y. He et al. Self-starting bi-chromatic LiNbO3 soliton microcomb. Optica 6, 1138 (2019).

13. M. Zhang et al. Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator. Optica 4, 1536 (2017).

14. J. Lin et al. Advances in on-chip photonic devices based on lithium niobate on insulator. Photonics Research 8, 1910 (2020).

15. M. Zhang et al. Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator. Nature 568, 373 (2019).

16. C. Wang et al. Soliton formation and spectral translation into visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator platform. Light: Science & Applications 11, 341 (2022).

17. M. Pu et al. Efficient frequency comb generation in AlGaAs-on-insulator. Optica 3, 823 (2016).

18. L. Chang et al. Ultra-efficient frequency comb generation in AlGaAs-on-insulator microresonators. Nature Communications 11, 1331 (2020).

19. D. J. Wilson et al. Integrated gallium phosphide nonlinear photonics. Nature Photonics 14, 57 (2020).

20. Z. Lu et al. Synthesized soliton crystals. Nature Communications 12, 3179 (2021).

21. X. Ji et al. Exploiting ultralow loss multimode waveguides for broadband frequency combs. Laser Photonics Review 15, 2000353 (2021).

22. J. Liu et al. High-yield wafer-scale fabrication of ultralow-loss, dispersion-engineered silicon nitride photonic circuits. Nature Communications 12, 2236 (2021).

23. J. Liu et al. Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs. Nature Photonics 14, 486 (2020).

24. D. T. Spencer et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature 557, 81 (2018).

25. X. Xue et al. Super-efficient temporal solitons in mutually coupled optical cavities. Nature Photonics 13, 616 (2019).

26. C. Xiang et al. Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon. Science 373, 99 (2021).

27. J. Liu et al. Monolithic piezoelectric control of soliton microcombs. Nature 583, 385 (2020).

28. Q. Yu et al. Heterogeneous photodiodes on silicon nitride waveguides. Opt. Express 28, 14824 (2020).

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

往期精彩

点亮“在看”，点亮科学之星