在現(xiàn)代光學領域，頻率梳是非常寶貴的工具。這些裝置就像測量光的尺子，使通信、環(huán)境監(jiān)測甚至天體物理學領域取得了突破性進展。但是，制造緊湊高效的頻率梳到現(xiàn)在仍是一項挑戰(zhàn)。

1993 年問世的光電頻率梳顯示出通過級聯(lián)相位調(diào)制產(chǎn)生光學頻率梳的前景，但由于其功率要求高、帶寬有限，進展速度放緩。

這導致飛秒激光器和克爾孤子微梳子成為該領域的主導，它們雖然有效，但需要復雜的調(diào)諧和高功率，限制了現(xiàn)場使用。

不過，最近在薄膜光電集成光子電路方面取得的進展重新激發(fā)了人們對鈮酸鋰等材料的興趣。然而，以較低的功率實現(xiàn)更寬的帶寬仍然是一個挑戰(zhàn)，鈮酸鋰的固有雙折射也為可實現(xiàn)的帶寬設定了上限。

現(xiàn)在，洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）、科羅拉多礦業(yè)學院和中國科學院的科學家們通過在新開發(fā)的鉭酸鋰平臺上結(jié)合微波和光路設計，解決了這一難題。與鈮酸鋰相比，鉭酸鋰的本征雙折射降低了 17 倍。

這項研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。

圖片:搜狗截圖20250123091732.png

集成混合光電頻率梳發(fā)生器�？稍谛∮�1平方厘米的平面內(nèi)生成2000多條梳狀線，覆蓋450nm光譜。

在 Tobias J. Kippenberg 教授的領導下，研究人員開發(fā)出一種電光頻率梳狀發(fā)生器，實現(xiàn)了前所未有的 450 nm 光譜覆蓋范圍，梳狀線超過 2,000 條。與以前的設計相比，這一突破擴大了設備的帶寬，并將微波功率需求降低了近 20 倍。

研究小組引入了一種 “集成三重諧振 ”架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，三個相互作用的場--兩個光學場和一個微波場--和諧共振。這是通過一種將單片微波電路與光子元件集成在一起的新型協(xié)同設計系統(tǒng)實現(xiàn)的。

通過在鉭酸鋰光子集成電路上嵌入分布式共面波導諧振器，研究小組顯著提高了微波約束和能量效率。

利用鉭酸鋰較低的雙折射特性，該裝置的尺寸非常小巧，僅占 1x1 平方厘米的空間。這最大限度地減少了光波之間的干擾，從而實現(xiàn)了平滑一致的梳狀頻率生成。此外，該裝置使用一個簡單、自由運行的分布式反饋激光二極管進行操作，因此比同類的克爾孤子裝置更易于使用。

新型梳狀信號發(fā)生器的超寬帶跨度（覆蓋 450 納米）超過了當前電光梳狀頻率技術的極限。它能在 90% 的自由光譜范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，無需復雜的調(diào)諧機制。這種穩(wěn)定性和簡易性為實際的現(xiàn)場部署應用打開了大門。

這種新設備可以說是光子學界的一次范式轉(zhuǎn)變。憑借其堅固的設計和緊湊的占地面積，它可以影響機器人等領域，因為在這些領域，精確的激光測距至關重要；還可以影響環(huán)境監(jiān)測等領域，因為在這些領域，精確的氣體傳感至關重要。

此外，這種協(xié)同設計方法的成功凸顯了微波和光子工程在下一代設備中的整合潛力。

所有樣品都是在 EPFL 微納技術中心（CMi）和物理研究所（IPHYS）的無塵室中制作的。LTOI 晶圓是在上海新硅聚合半導體（NSIT）和 SIMIT-CAS 制造的。

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