NOEIC助力量子點(diǎn)鎖模光頻梳激光器成果問世

  導(dǎo)語

  光學(xué)頻率梳因其在光譜上具有一系列等頻率間隔且相干的梳狀光譜特性，頻域上可作為一把精密的“尺子”應(yīng)用于對光頻率的精確測量，該應(yīng)用因?yàn)槠渲匾垣@得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近日，《Photonics Research》發(fā)表了中國科學(xué)院物理研究所張建軍、王霆、王子昊研究團(tuán)隊(duì)與國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希、華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)等人合作研究成果：一種新型量子點(diǎn)鎖模光頻梳激光器，該激光器可以在O波段產(chǎn)生100 GHz間距的窄線寬超穩(wěn)定光頻率梳，工作溫度可達(dá)100 °C。在25 °C條件下，以11.5 nm（20個(gè)通道）的光帶寬（3 dB內(nèi)）實(shí)現(xiàn)了有史以來最寬的平頂光梳。

  該成果是NOEIC技術(shù)服務(wù)的典范案例之一，在本工作中創(chuàng)新中心為中科院物理所團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了高集成度高穩(wěn)定性的器件集成方案，展示出NOEIC優(yōu)秀的集成封裝工藝水平和對原創(chuàng)技術(shù)的強(qiáng)力支撐作用。

  該成果發(fā)表在Photonics Research 2022年第5期，并入選美國光學(xué)學(xué)會(huì)的“Spotlight on Optics”論文（全球范圍內(nèi)平均每月評選出10項(xiàng)左右）。

  （Jing-Zhi Huang, Zi-Tao Ji, Jia-Jian Chen, Wen-Qi Wei, Jia-Le Qin, Zi-Hao Wang, Zhi-Yuan Li, Ting Wang, Xi Xiao, and Jian-Jun Zhang, Ultra-broadband flat-top quantum dot comb lasers, Photonics Research, 2022, 10(5): 1309）

  近年來，人們利用光頻梳技術(shù)在多領(lǐng)域開展研究，并在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)、氣體傳感探測、光學(xué)頻率合成器和光原子鐘等應(yīng)用上取得了一系列重要成果，使得光頻梳技術(shù)成為光學(xué)精密測量、光傳輸和光傳感探測應(yīng)用的重要工具。

  傳統(tǒng)光頻梳的產(chǎn)生基于光纖或固體飛秒激光，其設(shè)備昂貴、尺寸大、功耗高，影響了光頻梳在對能耗、體積以及價(jià)格敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著微納加工和非線性光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了小型化低功耗的集成光頻梳技術(shù)。集成光頻梳技術(shù)主要分為基于半導(dǎo)體鎖模激光器技術(shù)產(chǎn)生的相干多波長光頻梳、基于非線性效應(yīng)的克爾光頻梳和基于電光調(diào)制生成的EO Comb光頻梳。

  相比于克爾光頻梳超大帶寬的優(yōu)勢，通過半導(dǎo)體鎖模激光器產(chǎn)生的光頻梳具有轉(zhuǎn)換效率高、低功耗、小尺寸的特點(diǎn)，特別適合作為多波長激光器應(yīng)用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體鎖模激光器的梳齒間隔、傳輸帶寬和單根梳齒功率受限，離實(shí)際應(yīng)用仍有距離。

  為解決上述問題，中國科學(xué)院物理研究所張建軍、王霆、王子昊研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希以及華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)等人設(shè)計(jì)了一種新型量子點(diǎn)鎖模光頻梳激光器。該激光器可以在O波段產(chǎn)生100 GHz間距的窄線寬超穩(wěn)定光頻率梳，工作溫度可達(dá)100 °C。在25 °C條件下，以11.5 nm（20個(gè)通道）的光帶寬（3 dB內(nèi)）實(shí)現(xiàn)了有史以來最寬的平頂光梳。相關(guān)研究成果發(fā)表于Photonics Research  2022年第5期。

  該方案通過設(shè)計(jì)并且制做一個(gè)O波段100 GHz的InAs/GaAs 四階量子點(diǎn)碰撞脈沖鎖模激光器（QD-CPML）[圖1(a)]，其3 dB帶寬為11.5 nm [圖1(b)]，打破了同類型鎖模激光器的記錄。

  圖（a）4階半導(dǎo)體鎖模激光器結(jié)構(gòu)示意圖, （b）20°C 下3 dB帶寬為11.5 nm的光譜圖

  基于該量子點(diǎn)光頻梳激光器，在3 dB光帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了20條梳齒的穩(wěn)定平頂鎖模區(qū)域，單個(gè)梳齒平均光學(xué)線寬為440 kHz。同時(shí)通過對梳齒進(jìn)行高速調(diào)制，在70 Gbit /s NRZ和40 Gbaud /s PAM-4調(diào)制速率下均可獲得較好的眼圖，表明該量子點(diǎn)鎖模激光器具備1.6 Tbit/s的傳輸能力。

  為進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬，團(tuán)隊(duì)還提出了頻梳帶寬拓展方案，即使用四個(gè)在單獨(dú)調(diào)節(jié)溫度下工作的量子點(diǎn)CPMLs獲得了3 dB帶寬36 nm、100 GHz頻率間隔的光頻梳，可產(chǎn)生至少60條梳齒，實(shí)現(xiàn)4.8 Tbit/s的傳輸能力。

  相比于傳統(tǒng)密集波分系統(tǒng)中的多波長光源方案，量子點(diǎn)鎖模激光產(chǎn)生的光頻梳具有集成度高、低功耗、溫度穩(wěn)定性好、梳齒距離均勻性好的特點(diǎn)，適合未來對功耗、工作溫度要求嚴(yán)苛的片上波分復(fù)用應(yīng)用場景。

  后續(xù)，相關(guān)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步開展更高通道間隔、更大單根梳齒輸出功率以及更高傳輸帶寬的研究，同時(shí)將利用硅光集成技術(shù)開展基于量子點(diǎn)光頻梳源的系統(tǒng)級應(yīng)用，如低功耗的Tb/s光發(fā)射芯片以及光頻梳在微波光子和傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。