混合集成双微梳光源

Nikita Yu. Dmitriev, Sergey N. Koptyaev, Andrey S. Voloshin, Nikita M. Kondratiev, Kirill Min kov, Valery E. Lobanov, Maxim V. Ryabko, Stanislav V. Polonsky and Igor A. Bilenko, Hybrid Integrated Dual-Microcomb Source. PHYSICAL REVIEW APPLIED 18: 034068 (2022).

光是在过去的几十年里，光学频率梳已经成为解决科学和技术挑战的多功能工具。最具前景和广泛应用的应用之一是使用双光梳来有效地将信号从光域传输到射频范围，从而大大简化了数据采集和后续处理。例如，双梳光谱是傅里叶光谱的一种显著形式，它可以使用单个光电探测器超快速测量宽带光吸收光谱，提供样品中特定材料或其数量的指纹，而不需要移动元件，只需要几个基本光学元件。双梳技术的基本思想是将两个相干光频梳组合在一起，它们具有移位的泵浦线且在频域的线间距略有不同[图1(a)]。因此，通过所述物质传输的梳的光谱在光电探测器处向下转换为用于测量的射频波段。所得到的信号是具有线间距的射频频率梳，位于的中心线以及由光学梳的相应线唯一定义的线幅。这些特性使得双梳技术在许多实际应用中具有很高的吸引力，如超宽带近红外光谱、亚波长空间分辨率的近场显微镜、分子线中心频率的精密计量、温室气体监测、燃烧诊断和距离测距。

目前有许多快速发展的实现双梳技术的方法。双梳系统一般基于传统光纤锁模激光器。使用锁模集成外腔表面发射激光器，利用不同的偏振状态，可以在单个腔内产生双梳信号。基于量子级联激光器和相干平均双梳光谱仪的混合太赫兹双梳光谱仪在中波长红外和长波红外范围内实现了快速、高精度的光谱测量。这些研究在实验室环境中获得，这意味着双梳系统只是部分集成且相当笨重和复杂，需要一系列辅助设备和技术专门知识。因此，尽管在实验室环境中表现出色，但它们不适合工业和消费应用。因此，集成和设备小型化是迫切需要解决的问题，在任何方法都可以用于工业级设备之前。完全集成的双梳系统有望解锁主要应用，包括机载和星载传感器，以前所未有的速度和分辨率进行距离测距以及紧凑的光谱传感器。反过来，这种设备可以成为消费和可穿戴应用的核心技术，包括非侵入式光谱传感器。

全集成双梳源最有前途的平台是硅基集成光子学。近年来，该平台取得了重大进展，并达到了相当的成熟。今天，低损耗硅基光子系统的性能可以与自由空间光学系统相媲美。此外，研究人员证明了与CMOS制造工艺以及与III-V半导体平台的高水平兼容性。硅光子学的最新进展，结合自注入锁定效应，使得使用半导体激光二极管而不是体积庞大的窄线宽激光器产生光学微梳成为可能，从而大大简化了微梳产生的过程，并为基于高Q微谐振器的全集成芯片级单微梳源的发展铺平了道路。基于无源高Q微谐振器的概念验证实验实现了宽带光谱下变频到射频范围，在块结构和片上结构中产生了在近红外、短波红外和可见波长范围内具有广泛可变（从GHz到THz）线间距的超宽频率梳。此外，最近实现的扫描双梳光谱技术允许在高Q微谐振器的基础上增加光谱系统的分辨率。

混合集成双微梳源包括特别匹配的微梳源。每一个都由一个热稳定的具有高Q微谐振器的SiN光子芯片、一个对接耦合的半导体LD和一个输出透镜光纤组成[图1(a)-1(c)]。这种通用的方法可以通过测试不同的光子芯片设计和各种类型的半导体来实现快速原型。

使用的基于CMOS兼容SiN光子芯片的微谐振器在商业多项目晶圆运行中制造。研究人员使用两组具有两种直径的微谐振器的芯片，分别对应于约150 GHz和约1 THz的自由频谱范围，集成了微加热器，通过调整自由频谱范围（频域基模之间的间隔）来实现不同微谐振器的特征频率的网格匹配。此外，每个芯片都有边缘波导耦合器，确保芯片两侧的插入损耗低至-1.1 dB，用于耦合光的输入和输出。

研究人员使用了Fabry-Perot和分布式反馈激光二极管并在产生微梳的性能方面进行了比较。法布里珀罗二极管具有单一空间模式，纵向模式间距为35 GHz，中心波长为1535 nm，注入电流为500 mA时的光功率约为200 mW。分布式反馈二极管的波长为1545 nm，在400 mA时的光功率约为100 mW。

在实验过程中，使用光谱分析仪和电谱分析仪同时监测微梳的光谱和产生的射频双梳信号。由于自注入锁定效应，组装的微梳源提供可重复的交钥匙操作，允许一次又一次地产生具有相同包络的固定设置的微梳。图1(d)所示的频谱图显示了通过缓慢手动调整半导体激光二极管注入电流选择交钥匙工作点时的双梳信号演变。在工作点外，光谱由一个相干孤子微梳和一个混沌非相干微梳组成。这种状态下的外差拍频信号是有噪声的[图1(d)中的状态1]。当半导体激光二极管-电流值达到工作点时，系统锁定到两个孤子微梳的状态，光学元件具有高互相干性和低噪声射频比特[图1(d)中的状态II]。自注入锁定机制补偿了热效应，微梳源锁定到梳状状态，而无需额外操作，这在使用自由运行的激光器泵浦时是不可避免的。在工作点，双微梳源迅速过渡到相干状态。然而，应该注意的是，由于两个光子芯片的独立热稳定，在观察时间超过几分钟的情况下，拍频的相对热漂移高达100 MHz。然而，射频微梳没有随时间变化，因为失谐由于自注入锁定而固定。

目前用于制造高Q氮化硅微谐振腔的技术，特别是用于商业运行的技术，不能保证Q因子高于一百万且微谐振腔的光谱纯度足够高，无法使用单频窄线宽激光器的外部泵浦产生可持续的孤子微梳。通过使用光隔离外腔二极管激光器的外部泵来激发孤子梳的过程需要可接近的孤子步骤且由于需要额外的设备来实现高调谐率和克服热不稳定性而变得复杂。实验中，只有高自由频谱范围微谐振腔（自由频谱范围为1 THz）提供了容易获得的孤子步骤，并支持使用光隔离外腔二极管激光器生成孤子。

使用提供超过150 mW片内泵浦功率的外部放大光隔离外腔二极管激光器，无法观察到150 GHz微谐振腔下孤子的产生。该功率电平比参数不稳定阈值高10倍以上，对应于归一化泵浦幅值，其中是经过放大的光隔离外腔二极管激光器的光功率，这是由于透镜光纤与芯片的对接耦合造成的损耗（总线波导中的功率）而减少的，是非线性阈值功率。显然，热过程、高阶色散[图3(a)]和避免的模式交叉点的影响缩短了孤子步骤并使其不可接近[图2(b)]。

然而，完全集成的自注入锁定方案[图2(c)]提供了出色的交钥匙操作，无需任何额外的设备。由自注入锁定半导体激光二极管泵浦的相同微谐振腔允许在锁定状态下清晰地观察孤子步长[图2(d)和2(e)]。实际上，由于激光频率被锁定在微谐振腔和激光微谐振器失谐是固定的，大多数热效应被抑制。如果微谐振腔频率因热效应而波动，则产生频率也会发生变化，从而保持梳产生状态的稳在自注入锁定状态下，激光微谐振器失谐值固定为小后向散射，该失谐值位于孤子产生区域。

此外，失谐控制在自注入锁定状态下更加鲁棒，因为当半导体激光二极管在锁定范围内调谐时，有效失谐不会改变。更准确地说，激光频率调谐的速度通过稳定系数的因素有效地降低。组装后的样机作为交钥匙装置工作，大大简化了梳生成过程，显著提高了稳定性。一旦校准确定工作点，该设备可以在打开后立即产生微梳。微梳光谱和微谐振器参数，如图3所示。值得注意的是，没有光学元件过滤泵浦线。尽管Q系数适中，但生成的梳是宽带的。1 THz线间距微梳的谱宽达到500 nm，其中有20条线的功率>-20 dBm。150 GHz微梳频谱宽度超过200 nm，有30条线的功率>-20 dBm。生成的微梳还具有单线高光功率，因此，具有高信噪比且具有高泵-梳边带功率转换效率。后者可以表示为输出光纤中产生的微梳总功率，为输出光纤中微梳中心线（泵浦线）的功率，是自由运行激光二极管在相同注入电流值下的光功率，经耦合损耗（母线波导中的功率）减小。150 GHz和1THz 自由频谱范围微梳的效率值分别为25%和40%。

组合微梳光谱和得到的射频双微梳信号分别如图4(a)、4(d)、4(g)和图4(b)、4(c)、4(e)、4(f)、4(h)、4(i)所示。底部一行的插图给出了关于生成的双微梳信号的线宽的信息。研究人员使用1 THz 自由频谱范围微谐振器，将约300 nm宽的光谱下转换为600 MHz宽的光谱[图4(a)-4(f)]；使用150 GHz 自由频谱范围微谐振器，实现了从约100 nm到800 MHz的下变频[图4(g)-4(i)]。

通过对微加热器施加电压，可以调节微谐振腔温度，从而控制微梳线间距。一个光学微梳可以相对移动到另一个，以控制双微梳信号，改变其中心线位置和重复率。图4(a)-4(f)说明了这种能力。这两个双微梳信号对同一对微谐振腔进行了观测，利用微加热器将中心频率差从7.93 GHz改变为1.70 GHz。

通过将实验数据与理论预测的两个组合光学微梳的拍频信号进行比较，对测量数据进行验证。已知参数包括色散分布，利用测量到的光频梳，可以计算出期望的射频域双梳频谱分布。这些模拟的双微梳光谱在图4(c)、4(f)、4(i)中以灰线表示。

研究发现，自注入锁定放宽了对微谐振器Q因子及其光谱纯度的要求，并使在商业多项目晶圆中广泛使用的商业微谐振器适合用于片上双微梳源。由可调谐光隔离光隔离外腔二极管激光器（而不是自注入锁定）泵浦的微谐振器的孤子梳激励是不成功的，因为无法获得所需的孤子步长[图2(b)]。将这种失败与热过程的影响、高阶色散效应和避免的模式交叉点联系起来，这使得孤子步骤更短，因此，无法进入。在自注入锁定效应下，激光二极管和微谐振器的频率相互连接并以相关的方式波动，从而产生具有更高热漂移容限的微梳[图2(d)]。

考虑到以下因素，可以通过Q因子和泵浦功率之间的匹配来解释高达40%的泵浦-梳边带转换效率。首先，梳功率不直接依赖于泵浦功率。尽管最大失谐和锁定失谐都依赖于泵浦功率，但这些依赖关系较弱且泵浦到孤子以及泵浦到梳边带的功率转换效率随之降低。这产生了一种错觉，即使用低功率激光并降低阈值，可以制造出高能效的设备。然而，第二点是，梳功率确实依赖于参数不稳定性的阈值功率。因此，最终得到一个可以忽略不计的输出信号。这带来了一个相当违反直觉的结论，即为了获得最佳性能，应该增加阈值功率（意味着更低的Q因子或更少的非线性），并与使用的激光泵浦功率相匹配。这立即带来了一个权衡问题，因为较低的Q因子意味着更少的稳定性和更宽的拍频，甚至无法达到自注入锁定状态。提高泵浦-梳边带功率转换效率的另一种方法是提高二阶色散系数。然而，这提出了梳宽度的权衡问题，应该针对期望的应用单独解决。

此外，还看到一个额外的机制来增加梳功率以及功率效率。系统中，可以出现多孤子态；然而，对于给定色散值，孤子的数量有一个最大值且泵浦-梳边带转换效率也随色散值饱和。在1 THz微谐振器中实现了多孤子[图3(d)]，其中测量频谱与实验估计参数和自注入锁定失谐值的三孤子状态的理论预测（孤子位置经过优化以拟合数据）具有良好的对应关系。注意，虽然频谱的形式高度依赖于间孤子距离，但总梳功率和转换效率却不是。对于150 GHz梳，画面略有不同。通过增加孤子的数量，能够匹配总的梳状输出功率，但是侧边的梳状包络表现出比多孤子状态所能提供的更平滑的行为[图3(b)中的绿色曲线]。同时，对于单孤子状态来说，梳功率太高了[图3(d)中的紫色曲线]。这种梳增强可归因于激光有效介质内部的梳线放大或多频锁定效应，而泵浦附近的非光滑包络线归因于模式交叉造成的色散扭曲。通过对半导体法布里珀罗和分布式反馈激光二极管的比较，可以看出分布式反馈在锁定波长可预测、两梳匹配更方便等方面的优势，而法布里-珀罗更强大、更便宜，因此，更有实际应用前景。