自锁宽带拉曼-电光微梳
本帖最后由 hdy 于 2025-5-30 21:45 编辑光学频率梳（Optical Frequency Combs, OFCs）由等间距的频率线组成，在通信、光谱学、精密测量和基础物理研究中具有重要意义。近年来，集成光子学的发展推动了芯片级频率梳的研究，使得通过Kerr效应或电光（Electro-Optic, EO）效应在芯片上产生频率梳成为可能。然而，这些非线性过程可能同时发生，并常伴随诸如拉曼散射等寄生效应，从而阻碍宽带低噪声微梳的生成。在本研究中，作者利用这些相互作用，在铌酸锂微腔中展示了一种新型频率梳——自锁拉曼-电光（Raman-Electro-Optic, REO）微梳。通过协同利用EO效应、Kerr效应和拉曼散射，REO微梳在26.03 GHz重复率下实现了超过300 nm（约1400条谱线）的展宽，且无需外部反馈即可实现低噪声运行。我们的方法为提升微梳性能提供了新思路，并为通过多重非线性协同探索激光锁模等新型非线性物理现象铺平了道路。
研究背景
近年来，集成光子学在微尺度上对光的产生与调控方式实现了显著变革，开启了光子技术的新时代。其中最具变革性的进展之一是在片上非线性微腔中实现光学频率梳（OFCs）的生成。OFCs由等间距的离散光谱线组成，已成为现代光子学中不可或缺的工具，深刻改变了精密计时、光谱学以及高速通信等领域。传统的OFCs依赖于锁模激光器生成，通常需要体积庞大的实验室系统，从而限制了其在实验室外的实用性。因此，大量研究致力于将OFCs集成至紧凑的芯片级系统中。
目前，片上OFCs的主要生成方式包括基于Kerr效应的耗散Kerr孤子（DKSs）和基于电光效应的电光频率梳（EO combs）。其中，DKSs支持超快被动锁模，可通过色散工程设计光谱包络和展宽，但其生成过程对控制精度要求极高。相比之下，EO频率梳已在铌酸锂（LN）和钽酸锂（LT）微腔和波导中实现，具有易于生成、可直接锁定至微波频率的优点，但其光谱带宽受限，并且对微波功率依赖显著。此外，OFCs的生成过程常伴随拉曼散射等寄生非线性效应。拉曼散射通过非弹性光-声子相互作用，将泵浦光能量非线性转移至Stokes线，已被证实可通过非线性泵浦增强OFCs的带宽与转换效率。然而，拉曼散射也可能引入额外的频率噪声，阻碍频率梳的形成与展宽。为同时兼顾DKSs与EO频率梳的优势，并克服其内在限制与寄生效应，探索多重非线性效应的协同机制成为一种前沿策略。然而，多种非线性效应的同时发生与协同涉及复杂物理机制，使得在单一器件中实现高性能非线性OFCs仍是一项关键挑战。
在本工作中，研究人员提出了一种新型频率梳，结合拉曼、电光和Kerr非线性效应，在铌酸锂赛道型微腔中生成宽带、平坦的拉曼-电光（REO）微梳。该机制不同于依赖单一非线性过程的传统系统，通过拉曼散射与电光调制联合驱动多个EO频率梳组的生成，并利用四波混频（FWM）进一步展宽光谱范围。特别地，起源于拉曼激光的梳线可自适应地锁相至光学与微波场，无需外部电子反馈回路，即可实现高相干性与快速可调性。所得的宽带REO微梳不仅实现了300 nm的展宽和接近1400条梳线的生成，同时维持了26.03 GHz的精确重复频率。此外，该微梳还具备可调的重复率与泵浦激光频率，可精确控制频率梳特性，进一步提升其性能并拓展其应用范围。
研究结果
图1：混合电光频率梳的示意图。a 在微波调制作用下，将连续波（cw）泵浦激光耦合进入铌酸锂（LN）微腔中，产生电光频率梳（EO comb）。b 当泵浦激光功率超过拉曼激射阈值时，观察到的EO频率梳光谱。此时，围绕泵浦激光与拉曼激光分别展开的两个EO频率梳具有相同的重复频率（frep），但其载波包络偏移频率（fceo）不同，处于“未锁定状态”。借助四波混频（FWM）过程，这两组频率梳在带宽上进一步扩展并实现谱线重叠。在重叠模式中，两组频率梳之间的拍频被转移至拉曼激光模，从而将拉曼激光的频率锁定为从泵浦频率起的微波频率整数倍，实现“锁定状态”。
图2：实验装置与器件表征。a 实验装置示意图。EDFA：铒掺光纤放大器；FPC：光纤偏振控制器；OSA：光谱分析仪；DWDM：密集波分复用器；NF：陷波滤波器；ESA：电谱分析仪。b 薄膜铌酸锂（TFLN）光子芯片的实物照片。c 器件的显微镜图像，包括一个铌酸锂赛道型微腔和电极结构。d 一个典型的基模TE模式的透射光谱，拟合得到加载品质因子（Q因子）为 1.1×10^6。e 红点为通过Mach–Zehnder干涉仪（MZI）测得的微腔在1571 nm附近的色散曲线；蓝色曲线为拟合结果，对应的拟合参数为 D2/2π=3.92 kHz。f 在不同片上泵浦功率下混合微梳的光谱图，微波驱动功率为30 dBm。黄色曲线（80 mW，未锁定态）在垂直方向上下移了5 dB，以减少与其他曲线重叠。左上角插图展示了在1520 nm至1540 nm之间的平坦光谱。g 输出梳状光场的射频（RF）光谱图。当拍频信号消失时，表明整个输出场已处于相位锁定状态。
图3：REO微梳的锁定行为。
a, b 随着微波调制频率的扫描，观察到光谱的演化过程。绿色线表示探测激光的位置。
c, d 分别在不同微波频率下，测量接近绿色线位置的频率梳线与1541 nm探测激光之间的拍频信号。
拍频信号通过电谱分析仪（ESA）捕获，展示出三种不同类型的光谱特征，分别对应混合微梳的自锁定状态和未锁定状态。
图4：不同调制频率和功率下锁定范围的变化。
a 在不同泵浦激光频率下，以1541 nm探测激光测得的拍频信号。梳状光谱在两条线之间的阴影区域内处于自锁定状态。随着激光频率的变化，锁定范围也发生偏移，表明该自锁定微梳可在不同重复频率（frep）下稳定工作。
b 锁定范围的两个边界与调制功率之间的关系。
c 微波振幅与锁定范围之间的关系，数据很好地符合线性函数拟合结果。
总之，本文展示了在单个铌酸锂（LN）微腔中实现宽带拉曼-电光（REO）微梳的产生，获得了超过300 nm的光谱宽度和超过1400条梳线，重复频率为26.03 GHz。通过协同利用Kerr非线性、拉曼散射与电光效应，有效克服了拉曼散射对光谱宽度和噪声的限制，将其转化为有益的非线性机制，从而增强了光谱的展宽能力与平坦性。所实现的微梳不仅具有宽带特性，还具备良好的可调性：在自锁定机制下，支持约550 kHz范围的片上重复频率调谐，通过微波热调制可扩展至约8 MHz。这些特性使其在高分辨率光谱学、先进通信和量子信息处理中具有重要应用潜力。
值得注意的是，尽管本系统中反常色散与Kerr非线性有助于梳状光谱的展宽，但它们并非实现自锁定机制的必要条件。补充研究表明，在常色散微腔中亦可实现一定程度的同步。然而，由于缺乏色散辅助展宽，其光谱宽度受限，且锁定范围不明显。
为了进一步提升该微梳系统的光谱宽度、功率以及可调性，从而增强其性能与实用性，有以下几种可行的优化策略：（1）采用耦合谐振腔结构提高泵浦光向频率梳的转换效率，结合共振电极设计增强微波能量的利用效率，从而提升梳线功率；（2）利用先进的色散与耗散工程技术，精确调控微腔模态线宽与光谱对齐，提升拉曼激光性能，并降低微波调制频率的失配程度；（3）通过工程化微腔引入更高阶拉曼过程，并借助自锁定机制实现多拉曼梳的同步，以进一步扩展光谱宽度。
此外，该自锁定机制还可推广至其他参量过程与竞争性非线性过程，如χ(2)与χ(3)参量振荡、布里渊散射及布里渊激光过程。鉴于各种非线性机制在集成光子学中的广泛存在，本文的研究结果有望激发更多关于非线性交互调控的研究，推动新型非线性光子器件的发展。
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