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集成电光频率梳研究进展.docx
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集成电光频率梳研究进展.docx
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0. 引 言
光学频率梳是由一系列离散且等间隔分布的频率成分所组成的光谱结构
[1-4]
。国际上首
个光学频率梳由 Hargrove 等人在锁模激光器中实现
[5]
,并在之后获得了长足的发展,极大
推动了精密测量科学。因在频率精密测量方面所作出的贡献,John Hall 和 Theodor W.
Hänsch 两人获得了 2005 年诺贝尔物理学奖
[6-7]
。
光学频率梳作为光谱分析的天然刻度尺
[8-10]
,其已广泛应用于光谱学
[11-15]
、精密测量
[16-
20]
、光通信
[21-24]
、传感
[25-27]
等领域。不同的应用对光频梳有不同的性能要求
[28-29]
,如梳齿功
率、梳齿间隔、光谱宽度、工作波段。目前主要通过三种方法产生光频梳:锁模激光器、
克尔微腔及电光调制。锁模激光器是用于产生光频梳的最初途径
[5]
。当多纵模激光器稳定
运行工作时,激光腔内存在多个循环往复的脉冲,光在腔内的往返时间将决定脉冲间隔
[30]
,对脉冲串进行傅里叶变换后,对应频域上出现了一系列等间隔频率成分,即光频梳。
锁模激光器能够产生高功率宽带光频梳,但梳齿间隔通常难以调谐,同时结构相对复杂。
利用光学微腔同样能够产生光频梳,该法通常采用单模激光与微腔进行耦合。由于光学微
腔对光场具有极强的束缚作用,四波混频等非线性克尔效应能够在腔内产生,从而产生光
频梳
[31]
。进一步对泵浦激光进行调谐,并使腔内色散与非线性、增益与损耗实现平衡
[1]
,
腔内能够产生克尔孤子光频梳。克尔微腔产生的光频梳通常具有较宽的光谱
[32]
、良好的相
干性、易于集成,是构建光电集成芯片的重要器件
[2, 33]
。但克尔光频梳形成机理较为复杂
[34-
38]
,需要精细的频率调谐手段才能达到孤子态
[39-40]
,且梳齿间隔受制于微腔结构,难以有效
调谐。图 1 给出了用于产生光频梳的典型的锁模激光器与克尔微腔结构。
图 1 光学频率梳产生方案示意图。(a)典型的自启动光纤锁模激光器;(b)基于微环谐
振腔中克尔效应的片上光频梳
Fig. 1 Schematic of optical frequency comb generators. (a) Typical self-starting mode-locked
fiber laser; (b) On-chip optical frequency comb generation based on Kerr microresonators
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电光频率梳(电光梳)基于电光调制过程,主要通过射频信号对光载波进行光学调
制,从而在光载波两端出现等间隔分布的频率梳齿,梳齿间隔与调制波频率相同。通过改
变调制波的属性,如频率、幅度及调制器个数等,电光梳的性能也会产生相应变化,如梳
齿数目、梳齿间隔及光梳平坦度等,使得其在波分复用技术
[41]
等方面得到广泛应用。但为
了提高光频梳的光谱宽度,传统电光梳通常由多个调制器级联构成,因此体积及功耗均较
大,限制了其实际应用。
随着微纳加工技术的不断发展,越来越多的光电器件能够在集成光学平台上实现,而
集成电光梳器件由于其优异的性能及功耗低、体积小等诸多优势,成为光电集成芯片中的
重要部分
[42-43]
,引起了研究人员的极大兴趣,图 2 展示了一种高效的集成电光梳产生器
件。目前,集成电光梳已在多个材料平台上实现,如铌酸锂
[44-47]
、磷化铟
[48-50]
、SOI
[51-53]
等,且能够以多种调制结构实现电光梳,如单相位调制器、多调制器级联等。
图 2 集成电光频率梳产生方案示意图
Fig. 2 Schematic of an integrated electro-optic frequency comb generator
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文中旨在对集成电光梳的研究现状进行综述,阐述光频梳的定义及分类,详细论述电
光梳的产生原理;介绍不同材料平台上产生的电光梳性能指标及其应用,梳理相关的研究
进展;基于目前集成电光梳领域存在的问题,对未来的研究趋势做出展望。
1. 电光频率梳产生原理
电光梳产生的基本原理是材料中的电光效应。电光效应是指材料的折射率随材料两端
外加电场的变化而线性变化的光学非线性现象,同时又被称为 Pockels 效应
[54]
。接下来,
探讨如何利用电光效应使得载波两端产生新的边带。考虑一个折射率为 n
1
的无损耗理想晶
体,其材料折射率随外加电场的变化而线性变化。假设一束频率为 f
c
,振幅为 E
1
的连续激
光在该晶体直波导中传播,直波导长度为 L
1
,上下两端嵌有长度为 L
2
的金属电极以施加电
场,电场具有振幅 V
1
与频率 f
m
,如图 3(a)所示。当电场 V
1
为零,激光经过该波导时,输出
电场为 E0(t)=E1ej2πfctE0(t)=E1ej2πfct。当振幅 V
1
不为零时,此时波导折射率发生变化
为:n=n1+αV1sin(fmt)n=n1+αV1sin(fmt),αα 为折射率随电场变化的线性系数,此时输
出光场可表示为:
图 3 电光调制器件示意图。(a) 单相位调制器;(b) 双驱动马赫-曾德尔调制器
Fig. 3 Schematic of electro-optic modulators.(a) Single-phase modulator;(b) Dual-drive Mach-
Zehnder modulator
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E0(t)=E1ej2πfctejϕ(t)E0(t)=E1ej2πfctejϕ(t)
(1)
其中:
ϕ(t)=πV(t)Vπ=πV1Vπsin(2πfmt)ϕ(t)=πV(t)Vπ=πV1Vπsin(2πfmt)
(2)
V
π
为使得输出激光刚好发生 π 相移时对应的电压,也被称为半波电压。利用 Jacob-
Anger 展开公式
[55]
对输出光场进行快速傅里叶变换,可得到光场在频域对应的函数:
E1(f)=Ei∑n=−∞∞Jn(πVπV1)δ(f−nfm−fc)E1(f)=Ei∑n=−∞∞Jn(πVπV1)δ(f−nfm−fc)
(3)
式中:J
n
为第一类贝塞尔函数;δ(f-nf
m
-f
c
)为狄拉克函数,代表频谱中的频率分量。可
以看到,经过电光调制后的光载波在 f
c
两端产生了新的频率分量,图 4(a)展示了单相位调
制器产生的频谱。
图 4 (a) 单相位调制器频谱;(b) DD-MZM 调制器频谱
Fig. 4 (a) Frequency spectrum of a single-phase modulator;(b) Frequency spectrum of a DD-
MZM
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此外,当合理设置输入光偏振方向与晶体折射率轴的相对位置,再配合偏振控制器便
可以对输入光的强度、偏振方向进行调制。波导两端通常会被施加偏置电压,用来选择调
制器的工作位置与调制范围,并补偿调制器的漂移以保持性能稳定。
考虑单个双驱动马赫-曾德尔调制器(Dual drive Mach-Zehnder modulator, DD-MZM)产
生电光梳的情况,如图 3(b)所示。此时调制器末端的输出光场可以表示为:
E0(t)=E12ej2πfct[ejϕ1(t)+ejϕ2(t)]=E12ej2πfct[ejπ(V1sin(2πfmt)+Vb,1)Vπ+ejπ(V2sin(2πfmt)+Vb,2)Vπ]E0(t)=E12ej2πfct[ejϕ1(t)+ejϕ2(t)]=E12ej2πfct[ejπ(V1sin(2πfmt)+Vb,1)Vπ+ejπ(V2sin(2πfmt)+Vb,2)Vπ]
(4)
式中:ϕ1(t)ϕ1(t)与 ϕ2(t)ϕ2(t)分别为两臂上的光场所经历的相位改变,与公式(2)具有
同样的表达形式,但对应调制信号的电压发生了改变,且考虑了偏置电压。公式(4)同样可
以通过傅里叶变换得到频域表达式
[55]
:
E0(f)=πEi∑n=−∞∞[Jn(πVπV1)ejπVb,1Vπ+Jn(πVπV2)ejπVb,2Vπ]⋅δ(f−nfm−fc)E0(f)=πEi∑n=−∞∞[Jn(πVπV1)ejπVb,1Vπ+Jn(πVπV2)ejπVb,2Vπ]⋅δ(f−nfm−fc)
(5)
上式对应的频谱如图 4(b)所示。可以看到,此时产生的边带数目由于 DD-MZM 的调
制方式并未改变,但是产生的光梳形状变得更加平坦,这主要是由于引入了偏置电压,使
得能够对光梳的形状进行再次调控。独立的电光调制器产生的边带相对来说较少,所以一
般采用级联相位调制器及强度调制器以拓宽所产生边带的范围。输出端通常级联强度调制
器以使光谱更为平坦,经过级联后产生的频率分量数目有所增加,拓宽了光谱范围。当
MZM 与相位调制器级联时,此时的输出光场可以表示为
[56]
:
\begin{split}
{E_0}(t) = &{E_i}{{\rm e}^{j2\pi {f_c}t}}\cos \left[\frac{\pi }{4}\alpha \sin (2\pi {f_m}t) \hfill - \frac{\pi }{2}\gamma \right]\cdot\\
& {{\rm e}^{j(\theta \frac{\pi }{4}\alpha + \frac{\pi }{2}\beta )\sin (2\pi {f_m}t) - j\theta \frac{\pi }{2}\gamma }} \hfill \\
\end{split} \begin{split} {E_0}(t) = &{E_i}{{\rm e}^{j2\pi {f_c}t}}\cos \left[\frac{\pi }{4}\alpha \sin (2\pi {f_m}t) \hfill - \frac{\pi }{2}\gamma \right]\cdot\\ & {{\rm e}^{j(\theta \frac{\pi }{4}\alpha + \frac{\pi }{2}\beta )\sin (2\pi {f_m}t) - j\theta \frac{\pi }{2}\gamma }} \hfill \\ \end{split}
(6)
式中:αα 和 ββ 分别是 MZM 和相位调制器上所施加的电压;γγ 对应 MZM 上所施加
的偏置电压。
传统的电光梳一般采用体块状电光晶体来实现电光调制,而在片上集成电光梳中一般
使用微环谐振腔结构来产生。通过对微环腔本身进行电光调制来产生电光梳,典型装置如
图 5(a)所示。当光场在微环内进行传输时,微环折射率的变化导致了光波相位的变化,从
而可对载波实现相位调制,使得载波两端产生新的边带,该过程在微环内循环往复,最终
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