近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）通过显著降低基于氮化硅的集成光子波导的光损耗，实现重复频率低至10GHz的集成式孤子微梳。氮化硅已经被用于CMOS微电子电路中，过去十年来，这种材料也被用于构建光子集成电路。研究成果发表在《自然-光子学》杂志。
研究背景
在信息社会，无线网络、电信、雷达应用中无线电和微波信号的合成、分发和处理无处不在。目前的趋势是使用更高频段的载波，尤其是5G和物联网等需求带来的带宽瓶颈迫在眉睫。“微波光电学”是微波工程和光电子学的结合，也许可以提供一个解决方案。
微波光电学的一个关键组成部分是光频梳，可提供数百条等距和相干激光线。它们是以稳定的重复频率发射的超短光脉冲，其频率间隔与光梳线的频率间隔精确对应。脉冲的光电探测产生了一个微波载波。
近年进展
近年来，在由连续波激光器驱动的非线性微谐振器制成的芯片级频率梳方面取得了重大进展。这些频率梳依赖于克尔耗散孤子形成，是在光学微谐振器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”。
生成孤子微梳需要非线性微谐振器，而这些微谐振器可以利用CMOS纳米制造技术进行制造。电子电路和激光器的集成为光梳微型化铺平了道路，使其能够在计量、光谱学和通信等领域得到大量应用。
研究成果
研究人员开发出一种新制造工艺—“氮化硅光子镶嵌工艺”，制造出可在所有光电集成电路实现最低损耗的氮化硅波导，实现了低到足以让光在直径只有1微米的波导中传播近1米的光损耗水平，1微米的波导比人的头发小100倍，产生的相干孤子脉冲在微波K波段（～20GHz，用于5G）和X波段（～10GHz，用于雷达）都有重复频率。
自评
研究人员表示，这个损耗水平仍然比光纤高出三个数量级以上，但代表了迄今为止所有用于集成非线性光子学的紧密约束波导中的最低损耗。EPFL微纳米技术中心（CMi）的氮化硅纳米光子芯片的制造负责人，论文的第一作者Junqiu Liu说：“这种工艺在使用深紫外步进式光刻技术进行时，能够在低损耗方面提供真正卓越的性能，这是传统的纳米制造技术无法达到的。”
意义和应用
基于研究成果，产生的微波信号的相位噪声特性与商用电子微波合成器相当，甚至更低。在微波重复频率下的集成孤子微梳的演示，将集成光子学、非线性光学和微波光子学等领域联系在一起。Junqiu Liu说：“这些微梳及其微波信号，将是构建完全集成的低噪声微波振荡器的关键，满足未来雷达和信息网络的架构的使用。”
EPFL团队已与美国的合作者合作，开发出结合了芯片级半导体激光器的混合集成孤子微梳模块。这些高度紧凑的微梳可以影响到许多应用，如数据中心的收发器、LiDAR、紧凑型光学原子钟、光学相干断层扫描、微波光子学和光谱学等。
联系客服
