NOEIC助力量子点锁模光频梳激光器成果问世
发布时间：2022-09-06
光学频率梳因其在光谱上具有一系列等频率间隔且相干的梳状光谱特性，频域上可作为一把精密的“尺子”应用于对光频率的精确测量，该应用因为其重要性获得了2005年诺贝尔物理学奖。近日，《Photonics Research》发表了中国科学院物理研究所张建军、王霆、王子昊研究团队与国家信息光电子创新中心肖希、华南理工大学李志远等人合作研究成果：一种新型量子点锁模光频梳激光器，该激光器可以在O波段产生100 GHz间距的窄线宽超稳定光频率梳，工作温度可达100 °C。在25 °C条件下，以11.5 nm（20个通道）的光带宽（3 dB内）实现了有史以来最宽的平顶光梳。
该成果是NOEIC技术服务的典范案例之一，在本工作中创新中心为中科院物理所团队设计开发了高集成度高稳定性的器件集成方案，展示出NOEIC优秀的集成封装工艺水平和对原创技术的强力支撑作用。
该成果发表在Photonics Research 2022年第5期，并入选美国光学学会的“Spotlight on Optics”论文（全球范围内平均每月评选出10项左右）。
近年来，人们利用光频梳技术在多领域开展研究，并在波分复用网络、气体传感探测、光学频率合成器和光原子钟等应用上取得了一系列重要成果，使得光频梳技术成为光学精密测量、光传输和光传感探测应用的重要工具。 传统光频梳的产生基于光纤或固体飞秒激光，其设备昂贵、尺寸大、功耗高，影响了光频梳在对能耗、体积以及价格敏感领域的应用。随着微纳加工和非线性光学技术的发展，产生了小型化低功耗的集成光频梳技术。集成光频梳技术主要分为基于半导体锁模激光器技术产生的相干多波长光频梳、基于非线性效应的克尔光频梳和基于电光调制生成的EO Comb光频梳。 相比于克尔光频梳超大带宽的优势，通过半导体锁模激光器产生的光频梳具有转换效率高、低功耗、小尺寸的特点，特别适合作为多波长激光器应用于密集波分复用系统。然而，传统的半导体锁模激光器的梳齿间隔、传输带宽和单根梳齿功率受限，离实际应用仍有距离。 为解决上述问题，中国科学院物理研究所张建军、王霆、王子昊研究团队联合国家信息光电子创新中心肖希以及华南理工大学李志远等人设计了一种新型量子点锁模光频梳激光器。该激光器可以在O波段产生100 GHz间距的窄线宽超稳定光频率梳，工作温度可达100 °C。在25 °C条件下，以11.5 nm（20个通道）的光带宽（3 dB内）实现了有史以来最宽的平顶光梳。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第5期。 该方案通过设计并且制做一个O波段100 GHz的InAs/GaAs 四阶量子点碰撞脉冲锁模激光器（QD-CPML）[图1(a)]，其3 dB带宽为11.5 nm [图1(b)]，打破了同类型锁模激光器的记录。
基于该量子点光频梳激光器，在3 dB光带宽内实现了20条梳齿的稳定平顶锁模区域，单个梳齿平均光学线宽为440 kHz。同时通过对梳齿进行高速调制，在70 Gbit /s NRZ和40 Gbaud /s PAM-4调制速率下均可获得较好的眼图，表明该量子点锁模激光器具备1.6 Tbit/s的传输能力。 为进一步增加数据传输带宽，团队还提出了频梳带宽拓展方案，即使用四个在单独调节温度下工作的量子点CPMLs获得了3 dB带宽36 nm、100 GHz频率间隔的光频梳，可产生至少60条梳齿，实现4.8 Tbit/s的传输能力。 相比于传统密集波分系统中的多波长光源方案，量子点锁模激光产生的光频梳具有集成度高、低功耗、温度稳定性好、梳齿距离均匀性好的特点，适合未来对功耗、工作温度要求严苛的片上波分复用应用场景。 后续，相关团队将进一步开展更高通道间隔、更大单根梳齿输出功率以及更高传输带宽的研究，同时将利用硅光集成技术开展基于量子点光频梳源的系统级应用，如低功耗的Tb/s光发射芯片以及光频梳在微波光子和传感等领域的应用。
