NOEIC助力量子點鎖模光頻梳激光器成果問世

  導語

  光學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”應用于對光頻率的精確測量，該應用因為其重要性獲得了2005年諾貝爾物理學獎。近日，《Photonics Research》發(fā)表了中國科學院物理研究所張建軍、王霆、王子昊研究團隊與國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希、華南理工大學李志遠等人合作研究成果：一種新型量子點鎖模光頻梳激光器，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100 °C。在25 °C條件下，以11.5 nm（20個通道）的光帶寬（3 dB內(nèi)）實現(xiàn)了有史以來最寬的平頂光梳。

  該成果是NOEIC技術(shù)服務的典范案例之一，在本工作中創(chuàng)新中心為中科院物理所團隊設計開發(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，并入選美國光學學會的“Spotlight on Optics”論文（全球范圍內(nèi)平均每月評選出10項左右）。

  （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，并在波分復用網(wǎng)絡、氣體傳感探測、光學頻率合成器和光原子鐘等應用上取得了一系列重要成果，使得光頻梳技術(shù)成為光學精密測量、光傳輸和光傳感探測應用的重要工具。

  傳統(tǒng)光頻梳的產(chǎn)生基于光纖或固體飛秒激光，其設備昂貴、尺寸大、功耗高，影響了光頻梳在對能耗、體積以及價格敏感領(lǐng)域的應用。隨著微納加工和非線性光學技術(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，特別適合作為多波長激光器應用于密集波分復用系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的半導體鎖模激光器的梳齒間隔、傳輸帶寬和單根梳齒功率受限，離實際應用仍有距離。

  為解決上述問題，中國科學院物理研究所張建軍、王霆、王子昊研究團隊聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希以及華南理工大學李志遠等人設計了一種新型量子點鎖模光頻梳激光器。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100 °C。在25 °C條件下，以11.5 nm（20個通道）的光帶寬（3 dB內(nèi)）實現(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。

  該方案通過設計并且制做一個O波段100 GHz的InAs/GaAs 四階量子點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

  基于該量子點光頻梳激光器，在3 dB光帶寬內(nèi)實現(xiàn)了20條梳齒的穩(wěn)定平頂鎖模區(qū)域，單個梳齒平均光學線寬為440 kHz。同時通過對梳齒進行高速調(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，表明該量子點鎖模激光器具備1.6 Tbit/s的傳輸能力。

  為進一步增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬，團隊還提出了頻梳帶寬拓展方案，即使用四個在單獨調(diào)節(jié)溫度下工作的量子點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，適合未來對功耗、工作溫度要求嚴苛的片上波分復用應用場景。

  后續(xù)，相關(guān)團隊將進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，同時將利用硅光集成技術(shù)開展基于量子點光頻梳源的系統(tǒng)級應用，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)域的應用。