Nature Communications更新|释放电赋能微梳激光器的潜力-凡亿课堂

导言

光频梳通过提供在频域中等距分布的多条单频激光线组成的相干光源，给计量、光谱和计时等领域带来了革命性的变化。近年来，大家对在芯片非线性微谐振器中产生锁相光学频率梳（即微梳）产生了浓厚的兴趣。这些锁相微梳状体具有超强的相干性，可在数据通信、光谱传感、光学计算、测距和频率合成等领域实现重要应用。

然而，尽管取得了这一进展，微梳在关键方面仍面临挑战，如复杂的孤子初始化、低功率效率和有限的可重构性。本文介绍了全新的方法--电子赋能微梳激光器，它能以优雅简洁的方式应对这些挑战。

工作原理

微梳激光器通过在单个激光腔内协同结合三种关键机制：

1.共振增强的电光调制启动微梳生成

2.共振增强的光学克尔效应，用于拓宽梳状光谱和锁定相位线

3.嵌入式 III-V 光学增益，以维持和稳定梳状光谱

此外，激光器的相干微波输出（来自梳状线的光学检测）被反馈到电光梳状谐振器，进一步增强了自持续运行的模式锁定。

如图 1b 所示，这种集成方法是通过将 III-V 反射半导体光放大器（增益芯片）与铌酸锂薄膜光子集成电路混合实现的。

图 1 展示了集成梳状激光器的概念：（a）描述了单腔内具有宽带光增益的电光（EO）和克尔（Kerr）梳状激光发生的协同运行，实现了按需发生和通过反馈自持运行；（b）详细介绍了 RSOA 芯片与铌酸锂外腔混合集成形成的腔体结构，其配置包括使用高 Q 赛道谐振器和Sagnac loop mirror的腔体增强（CE）结构，以及使用 EO 相位调制和萨格纳克环镜的法布里-珀罗（FP）结构；（c）显示了将 RSOA 边缘耦合到 LN 芯片的 CE 组合激光器；（d）放大了边缘耦合区域；（e）显示了 CE 组合激光器的赛道谐振器和loop mirror；（f）展示了 FP 组合激光器中的 EO 相位调制器和loop mirror。作者对两种激光腔配置进行了研究：一种是带有嵌入式高 Q 值赛道谐振器的腔增强（CE）梳状激光器（芯片 A），另一种是仅带有相位调制部分的法布里-珀罗（FP）梳状激光器（芯片 B）。

按需生成梳状激光器

如图 2a 所示，为了激励 CE 激光器中的锁模梳，需要使用与谐振器自由光谱范围相匹配的单个射频频率。在射频驱动之前，器件只是以单模发光。但一旦施加射频，就很容易产生跨度超过 20 纳米的微梳（图 2b）。

图 2 详细描述了 CE 组合激光器的激光性能。（a）实验装置包括各种仪器，如光学频谱分析仪（OSA）、自相关仪（AC）、光电探测器（PD）、电频谱分析仪（ESA）、实时示波器（OSC）和相位噪声分析仪（PNA）。（b）当射频开启时，光学频谱在关闭状态和开启状态之间变化，关闭状态显示单模激光，开启状态显示梳状激光。插图显示的是未进行色散补偿的自相关轨迹。（c）电频谱显示了梳状开启和梳状关闭状态下的节拍音符，两者之间存在显著差异。插图详细显示了频率为 39.58 GHz 的射频节拍音。（d） 39.58 GHz 射频节拍音和射频驱动信号的相位噪声频谱比较。（e）自外差法测量 CE 梳状激光器在不同状态下的相位噪声频谱，插图显示了相应的频率噪声频谱。（f） P-I-V 曲线显示了不同条件下的激光性能。（g-j）展示了梳状激光器在 2 Hz 和 200 Hz 两种速度下的全套操作，并配有开/关状态的特写。图中突出显示了梳状激光器在各种运行条件下的表现。通过梳状线之间的跳动检测到的驱动频率上的干净射频音可以验证模式锁定（图 2c）。79 分贝的高信噪比和与驱动源相同的相位噪声（图 2d）证实了通过保持相对梳状线相干性而实现的稳健模式锁定。

通过对整个梳状输出的自外差检测，单个梳状线的线宽低至 600Hz （图 2e）。整个梳状器的线宽如此之窄，使需要极高频率精度的应用成为可能。

该梳状器具有出色的功率效率，50mA 的低激光阈值和超过 5.6% 的高壁插效率--所有输出功率都用于梳状器，而不是残留在泵浦波中（图 2f）。

也许最与众不同的是，只需打开/关闭驱动射频（图 2g-j），就能按需打开/关闭梳状器，从而实现传统孤子微梳无法实现的稳健交钥匙操作。

谐波模式锁定

FP 组合激光器结构具有更高的灵活性，当驱动射频频率是腔体自由光谱范围的倍数时，可实现谐波模式锁定。图 3b 和 3c 分别显示了使用 29.5GHz 和 39.3GHz 射频驱动 9.8GHz FSR 腔的三次和四次谐波锁模。高电跳音信噪比和干净的激光输出脉冲证实了谐波锁模态的相干性。

图 3 展示了自由光谱范围（FSR）为 9.817 GHz 的 FP 组合激光器的谐波模式锁定。三次谐波（29.45 GHz）和四次谐波（39.27 GHz）被用作驱动信号。（a）谐波锁模实验装置示意图。（b）图中显示了在 29.45 GHz 射频信号驱动下，使用三次谐波锁定激光器时的光谱。（c）同样显示了由 39.27 GHz 射频信号驱动的四次谐波锁模的光谱。（b）和（c）中的插图分别显示了射频节拍音符的电子频谱和激光输出脉冲的自相关轨迹，虚线表示拟合的单个脉冲。与上图一样，自相关是直接从激光输出脉冲中记录的，无需色散补偿或脉冲整形。高速梳状调谐

如图 4a 所示，电子赋能梳状激光器的一个关键优势是能够通过对增强型微谐振器进行电光调制来快速调整整个梳状光谱。施加三角波形电压可调节谐振器的频率，从而在不影响模式间距的情况下将整个梳状激光器的频率连贯地移动到一起。

图 4 展示了整个激光梳的快速频率调谐。（a）设置包括用任意波形发生器（AWG）发出的三角波形电信号驱动 CE 梳状激光器的赛道谐振器，并结合 39.58 GHz 的锁模射频信号。中图从概念上说明了调谐过程，突出显示了整个梳状激光器的同步频率调整。右图描述了由于三角波频率调制而在梳状线周围产生的边带。（b-d）图中显示了梳状激光器输出与波长为 1582 nm 的固定波长参考激光器之间节拍音符的时频谱，调制速度分别为 1、10 和 100 MHz，相应的三角波 EO 调谐信号用虚线表示。底部面板显示了每种调制速度下的相对频率偏差。（e-g）提供了调制速度为 1 MHz、10 MHz 和 100 MHz 时激光输出梳的 39.58 GHz 节拍音符的电子频谱。（h）记录了不同调制速度下的激光频率调谐效率。图 4b-d 显示了已调谐梳状激光器与固定参考激光器之间记录的节拍音，可清晰跟踪调制速率高达 100MHz 的驱动三角波形。除了调制产生的边带之外，相邻梳状模式之间的相应射频节拍音（图 4e-g）保持不变，这证实了整个梳状频谱能够连贯地调谐在一起。

在 100MHz 时，1.2GHz 的调谐范围对应于全梳状频谱前所未有的 2.4x10^17 Hz/s 调谐速率，比压电或外部激光调谐实现的速率快了几个数量级。峰值 0.8GHz/V 调谐效率（图 4h）比压电方法高 10 倍以上。

自持运行

值得注意的是，如图 5a 所示，通过将梳状激光器自身的相干微波输出馈送回电光谐振器，可以完全消除外部射频驱动，实现自维持、自参考、turn-key的梳状操作。

图 5 描述了使用反馈锁定的 CE 组合激光器的自持续运行。（a）自反馈锁定装置示意图。（b）显示了驱动电流为 285 mA 时梳状激光器的光学光谱。（c-e）组合激光器的光谱和光功率与 RSOA 驱动电流的函数关系。（f）显示了在 60 mA 驱动电流下，从激光输出梳状激光器检测到的 39.58 GHz 跳变音符的电子频谱。（g）显示检测到的 39.58 千兆赫节拍音符的相位噪声频谱。图 5b-e 显示了由此产生的自供电微梳，跨度超过 50 纳米，在 285 毫安驱动电流下输出功率为 8.5 毫瓦。只需接通驱动电流即可实现自启动操作，由于腔体的强大增强功能，只需 60mA 电流即可产生锁模梳状体。