光學頻率梳(Optical frequency comb)是一種特殊的光源，其在頻率域上具有嚴格相等的頻率間隔，類似梳齒，所以被形象的稱為“光頻梳”。鎖模的“光頻梳”經(jīng)傅里葉變換到時域上，則是一種在傳播過程中可以維持波形不變的超短脈沖。

光頻梳技術(shù)被廣泛應用于精密測量、光譜學和量子傳感上，并產(chǎn)生了革命性的影響。因此兩位為光頻梳發(fā)展做出重要貢獻的科學家分享了2005年的諾貝爾物理學獎。早期的光頻梳實現(xiàn)系統(tǒng)體積龐大且成本昂貴，在過去的十幾年中，大量的研究工作致力于將這項技術(shù)在芯片級的平臺上實現(xiàn)，尤其是基于低損耗微諧振腔的克爾孤子光頻梳。借助于成熟的微納加工工藝，芯片級的光頻梳有望實現(xiàn)重量、功耗和成本的顯著降低，從而推動光頻梳在激光雷達、相干通信、微波光子等領(lǐng)域更加廣泛的應用。

未來用于實現(xiàn)芯片級高性能光頻梳生成的集成光子材料平臺通常需要具備合適的折射率、高非線性系數(shù)、低光學損耗等特性；另外，材料平臺是否與微電子CMOS工藝兼容也是一個重要的衡量指標，因為借助成熟的CMOS工藝平臺可以實現(xiàn)規(guī)模化芯片制造，進而具備低成本、高集成度、高可靠性的應用優(yōu)勢。

當前，氮化硅、硅、鈮酸鋰、III-V族半導體、碳化硅、氮化鋁等非線性光子薄膜平臺先后被開發(fā)用于實現(xiàn)孤子光頻梳。其中，碳化硅（Silicon carbide，SiC）在光學損耗、二階/三階非線性系數(shù)、CMOS兼容特性以及量子光源方面具有較為全面的性能優(yōu)勢，其在集成光學上的應用前景被廣泛關(guān)注。

碳化硅是第三代半導體中的核心材料，在電動汽車、5G通信、高壓電子等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮著不可替代的作用。但在光子集成特別是孤子光頻梳領(lǐng)域，碳化硅還是一種新興的材料平臺，其在孤子產(chǎn)生、頻率轉(zhuǎn)換方面的性能優(yōu)勢還有待探索。

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣團隊與中國科學技術(shù)大學董春華團隊、華東師范大學程亞團隊以及深圳國際量子研究院的劉駿秋團隊合作，在碳化硅的微腔孤子光頻梳方面取得了重要進展。

研究團隊在利用異質(zhì)集成技術(shù)將高純碳化硅晶圓與氧化硅絕緣襯底進行高強度鍵合，結(jié)合精密減薄技術(shù)，制備出晶圓級絕緣體上碳化硅薄膜（SiCOI），并采用飛秒激光光刻的方法制備了碳化硅微諧振腔，諧振腔的Q值可達4.5×10?。基于該諧振腔，在39mW的光泵浦下，可以產(chǎn)生譜寬為500 nm的光學頻率梳。

該研究成果以“Soliton Formation and Spectral Translation into Visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFA1404600），上海市基礎研究項目（22JC1403300）等的支持。

圖1：SiC孤子單孤子、雙孤子的產(chǎn)生及其孤子噪聲譜

微腔中孤子的產(chǎn)生源于微腔損耗和參量增益、色散和非線性效應的雙重平衡，實驗上，需要優(yōu)化微腔色散和仔細調(diào)節(jié)泵浦激光與微腔模式的相對位置來達到。

研究團隊所測定的碳化硅的熱光系數(shù)為4.67×10??K?1，這意味著基于微腔熱效應對孤子平衡態(tài)的影響較大，不利于孤子的穩(wěn)定產(chǎn)生。

研究團隊采用了輔助光熱補償?shù)姆椒ǎ瑏磉_到碳化硅孤子的穩(wěn)定產(chǎn)生，并進一步實現(xiàn)了SiC平臺的單孤子、雙孤子和多種孤子晶體的觀測（圖1）。這也是目前國際上首次在室溫條件下產(chǎn)生碳化硅芯片上的孤子光頻梳。

圖2：基于二階和三階非線性效應的頻率轉(zhuǎn)換原理

相較于目前主流的光頻梳平臺氮化硅（Silicon nitride），碳化硅同時具有的高的本征二階和三階非線性效應，可以為跨頻段的寬譜光頻梳產(chǎn)生提供新的技術(shù)方案。

原理如圖2所示。紅外泵浦激光（通常在1550nm附近）耦合進入微腔之后，紅外波段的光頻梳將由四波混頻效應（三階非線性）產(chǎn)生，而由于二階非線性效應，在相位匹配條件滿足的情況下，同一頻率的紅外梳齒或相近的兩個紅外梳齒將產(chǎn)生諧波效應或者和頻效應（二階非線性），進而在可見光或近可見光波段生成具有同等頻率間隔的光頻梳。

圖3：SiC微腔從紅外到可見光頻梳產(chǎn)生的動態(tài)過程

研究團隊對從紅外到可見光頻梳產(chǎn)生過程的進行了動態(tài)觀測。隨著泵浦激光與微腔模式的失諧量減小，紅外和可見光頻梳逐漸密集，各個過程梳齒之間的頻率關(guān)系滿足倍頻關(guān)系。

研究工作在150mW的泵浦光功率，可以實現(xiàn)超過150條可見光頻率梳的產(chǎn)生，從紅外到可見波段的轉(zhuǎn)換效率高于目前氮化鋁平臺約一個量級。

研究團隊基于碳化硅微腔實現(xiàn)的從紅外到可見波段的光頻梳對未來拓寬光頻梳技術(shù)在光譜學上的應用以及實現(xiàn)頻梳的片上自參考鎖定具有重要的意義。

| 論文信息 |

Wang, C., Li, J., Yi, A. et al. Soliton formation and spectral translation into visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator platform. Light Sci Appl 11, 341 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01042-w

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