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欧洲科学家利用微谐振器打造全球最小光学频率梳

2019-02-18 11:29
来源: 微迷网

欧洲科学家利用微谐振器打造全球最小光学频率梳

图为微谐振器频率梳系统

(图片来源:洛桑联邦理工学院Arslan Raja)

据麦姆斯咨询报道,光学频率梳(optical frequency combs,OFC)是一种激光光源,其频谱由一系列分立、均匀间隔的梳状频谱线组成,可用于精确测量。在过去的二十年中,它们已成为精密测距、光谱学和通讯等应用领域的主要工具。

大多数基于锁模激光器(mode-lock lasers,即通过调制使激光振荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系,以获得窄脉宽、高峰值功率的超短脉冲激光)的商用光学频率梳驱动源体积大且价格昂贵,这些特征限制了它们在大容量及便携等应用的发展潜力。虽然早在2007年就首次出现了使用微谐振器的芯片级光学频率梳,但是由于材料损耗高且激发机制复杂,完全集成的形式受到了阻碍。

由洛桑联邦理工学院(EPFL)的Tobias J. Kippenberg和俄罗斯量子中心(Russian Quantum Center)的Michael L. Gorodetsky共同领导的研究小组,目前已利用芯片级磷化铟激光二极管和氮化硅(Si3N4)微谐振器,建立了以88 GHz重复频率驱动的集成孤子微梳(integrated soliton microcomb)。该器件体积仅为1立方厘米,是迄今为止同类装置中尺寸最小的。

氮化硅(Si3N4)微谐振器是利用获得专利的光子大马士革回流焊接工艺制造的,该工艺在集成光子学中实现了前所未有的低损耗。这些超低损耗波导弥补了芯片级激光二极管与激发耗散克尔孤子态所需的功率级之间的差距,而这正是产生光学频率梳的基础。

该方法使用商用芯片级磷化铟激光器,代替了传统的大型激光模组。在研究中,由于微谐振器的固有散射,小部分激光会被反射回激光器。这种直接反射有助于稳定激光器并产生孤子梳。这表明,谐振腔和激光器可集成在单个芯片上,相比以往的技术有了独特的改进。

Kippenberg解释道:“人们对这种光学频率梳驱动源产生了浓厚的兴趣,这种梳驱动源是光电驱动的且能够通过光电学完全集成来满足新一代应用的需求,特别适用于激光雷达(LiDAR)和数据中心的信息处理。这不仅代表了耗散克尔孤子领域的技术进步,而且还随着腔体的快速反馈提供了深入了解其非线性动力学的契机。”

整个系统体积小于1立方厘米,且可实现电气控制。该研究第一作者、博士生Arslan Sajid解释道:“这种微梳系统具备结构紧凑、易于调整、成本低且重复操作率低等特征,适于大规模制造应用。它的主要优点是光反馈速度快,无需有源电子或任何其他片上调谐机制。”

科学家们如今的目标是实现集成型光谱仪和多波长光源,并进一步改进在微波重复频率工作的微梳的制造工艺和集成方法。

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