图片来源：加州理工学院官网
论文概述
近日，来自加州理工学院，加州大学圣塔芭芭拉分校，和洛桑瑞士联邦理工学院（EPFL）的一组研究人员通过激光器（DFB）泵浦微腔产生新型光频梳（弧子微梳）实现了光纤通讯设备的小型化。该文章于6月17日发表在Nature，题为“Integrated turnkey soliton microcombs”，论文的第一作者为Boqiang Shen，通讯作者为Lin Chang，Tobias J. Kippenberg，Kerry Vahala。
研究背景
现代通信技术越来越依赖光纤来传输数据。而且，为实现互联网所需的高数据传输速率，通常使用多种频率（颜色）的光来传输数据，每种频率都承载一部分数据。频率越多，可以携带的信息越多。光纤通讯的优势十分明显，其具有传输容量大，保密性好等优点。但是，传统光纤技术有时需要多达50个分立的激光器才能在单根光纤上生成多频率的光信号。这无疑将会导致现有光纤通讯技术十分昂贵，而且在功率方面效率很低。因此，光纤通讯设备的小型化一直是限制该技术成本的重要原因。
技术突破
传统光微梳的操作需要复杂的启动和反馈过程，该过程涉及到大量的光电子器件，因此所构筑的光纤设备很难实现小型化。在本研究中，该研究团队通过激光器（DFB）泵浦产生新型光微梳（弧子微梳），其中孤子微梳是在片硅片上制备的，其制备方式和计算机芯片几乎相同。该设备可以实现将单个频率的激光转换成许多频率间隔均匀的光（光频梳）。而且它可以代替许多单独的激光器进行数据传输。从而无需整合传统技术中所需的光学和电学模块，从而实现了器件的小型化。
图1 (a) 由直流电源驱动的孤子微梳芯片以电子电路速率产生孤子脉冲信号。四个光频梳集成在一个芯片上，但是在这些测量中仅使用一个。(b) 在谐振腔中扫描激光时获得的传输信号（蓝色）。洛伦兹拟合（红色）给出的固有品质因子为16×106。(c) DFB激光器自由运行（蓝色）和反馈到Si3N4微谐振腔的噪声频谱密度（红色）。为了进行比较，还绘制了硅上的超低噪声（ULN）集成激光器（灰色）和台式外腔二极管激光器（黑色）的频率噪声频谱密度。(d) 紧凑型泵浦激光器－孤子微梳体系的封装图。
观点评述
光频梳是光电子学中的一个关键组成部分，其可提供数百条等距的相干激光线。它们是以稳定的重复频率发射的超短光脉冲，其重复频率与光梳线的频率间隔精确对应。近年来，瑞士洛桑联邦理工学院的Tobias J. Kippenberg团队在由连续波激光器泵浦的非线性微谐振腔制成的芯片级光频率梳方面取得了重大进展。这些光频梳依赖于克尔耗散孤子形成，是在光学微谐振腔内部循环的超短相干光脉冲。因此，这些频率梳通常被称为“孤子微梳”。产生孤子微梳需要非线性微谐振腔，这些谐振腔可以使用CMOS纳米制造技术直接构建在芯片上。与电子电路和集成激光器的集成，为梳理小型化铺平了道路，从而允许在计量学，光谱学和通信领域进行大量应用。目前，该团队已经在与美国的合作者合作，开发了多种结合了芯片级半导体激光器的混合集成孤子微梳模块。本研究就是这一技术的应用之一。