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中科大學(xué)子在氮化硅集成芯片頻率梳領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破  這篇論文名為“Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs”，展示的是由Tobias J. Kippenberg領(lǐng)導(dǎo)的EPFL（瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）研究小組演示的脈沖重復(fù)頻率低至10GHz的集成孤子微梳。論文第一作者是劉駿秋（0800）。何吉駿（中國科大0938校友）則名列共同第一作者。華人合作者還有上海大學(xué)郭海潤教授。 在現(xiàn)在的信息社會，無線網(wǎng)絡(luò)、電信、雷達等電信和微波信號的合成、分發(fā)和處理無處不在。目前的趨勢是使用高頻段的載波，尤其是5G和 "物聯(lián)網(wǎng) "等需求帶來的帶寬瓶頸的出現(xiàn)，使得載波的使用成為了趨勢。在這種背景下，一門新興的交叉學(xué)科：微波光子學(xué)（Microwave photonics）孕育而生，其將光電子技術(shù)和微波技術(shù)結(jié)合起來，突破了當(dāng)前信號處理的瓶頸限制，使得高頻段的信號合成，分發(fā)和處理成為可能。 微波光子學(xué)的一個重要組成部分是光學(xué)頻率梳，它可以提供數(shù)百條等距且相干的激光線。它們是具有穩(wěn)定重復(fù)率的超短光脈沖，精確地對應(yīng)于梳齒線的頻率間隔。脈沖的光電檢測產(chǎn)生微波載體。 近年來，由連續(xù)波激光器驅(qū)動的非線性微諧振器產(chǎn)生的芯片級頻率梳取得了重大進展。這些頻率梳依賴于耗散的Kerr孤子的形成，這些孤子是在光學(xué)微諧振器內(nèi)部循環(huán)的超短相干光脈沖。因此，這些頻率梳通常稱為“孤子微梳”。 產(chǎn)生孤子微梳需要非線性光學(xué)微腔，這些光學(xué)微腔具有體積⼩、能耗低、可控度⾼等特點。特別是，通過利⽤半導(dǎo)體納⽶微加⼯技術(shù)，光學(xué)微腔可以在集成材料中實現(xiàn)。這些材料包括氮化硅，硅，⼆氧化硅，氮化鋁，鈮酸鋰，砷化鋁鎵等。其中， 由于氮化硅在通訊1550 nm波段沒有雙光⼦吸收，同時也是集成光學(xué)主流三⼤平臺之⼀（硅，磷化銦，氮化硅），是目前最成熟的芯片頻率梳平臺。基于芯⽚集成微腔的光頻率梳僅毫米尺寸，⽣產(chǎn)成本低，適⽤于⼯業(yè)化⼤量成產(chǎn)，有望在未來成為光頻率梳的主流平臺。 EPFL小組實現(xiàn)了足夠低的光學(xué)損耗，以允許光在直徑僅為1微米或比人發(fā)小100倍的波導(dǎo)中傳播近1米。該損耗水平仍比光纖中的損耗水平高三個數(shù)量級以上，但代表了迄今為止對于集成非線性光子學(xué)而言任何嚴(yán)格限制的波導(dǎo)中的最低損耗。 如此低的損耗是EPFL科學(xué)家開發(fā)的一種新制造工藝的結(jié)果，即“氮化硅光子Damascene工藝”。 該工藝的研發(fā)和氮化硅芯片的制造全部于瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的微納米技術(shù)中心（CMi）完成。  這種超低損耗氮化硅波導(dǎo)，也使得集成微腔光頻梳能夠應(yīng)用在一些新興的領(lǐng)域。最新一期的《Nature》雜志就以封面形式重點報道了該課題組基于氮化硅技術(shù)的激光雷達工作“Massively parallel coherent laser ranging using soliton microcombs”。劉駿秋制備的氮化硅芯片，在此項工作里起到了關(guān)鍵作用。 據(jù)劉駿秋透露，基于此項氮化硅芯片集成頻率梳技術(shù)，瑞士聯(lián)邦理工團隊與其美國的合作者共同開展并完成了全集成芯片頻率梳模塊的研發(fā)，和基于壓電材料的頻率梳集成聲光調(diào)制器。兩項工作均已被《自然》期刊接受，預(yù)計將于6月和7月相繼發(fā)表。毫⽆疑問，氮化硅芯⽚集成頻率梳正在成為⼀項關(guān)鍵技術(shù)，將會對新興技術(shù)如芯片集成光譜儀、光原子鐘、光學(xué)相干斷層掃描等數(shù)個領(lǐng)域產(chǎn)⽣重要影響。 相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-0617-x |
