▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

近日，來自美國加州大學圣塔芭芭拉分校的 John Bowers 教授團隊提出了一種新型量子點鎖模激光器，可以實現(xiàn)幅度調(diào)制光頻梳和頻率調(diào)制光頻梳的獨立輸出。該光頻梳方案的調(diào)頻模式輸出可以實現(xiàn)高至 2.2 太赫茲的 3-dB 光學帶寬及低至 495 飛秒的光學脈寬。此外，該團隊創(chuàng)新性地提出量子點激光器中的光學克爾效應可被用于提升光學帶寬達到兩倍以上。該方案可以有效彌補波導色散的負面影響，有助于降低光頻梳集成過程中的工藝難度。該工作有助于顯著降低集成密集波分復用系統(tǒng)的能耗及成本，已得到美國 DARPA PIPES 項目的支持與資助。

該研究成果以“Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser”為題發(fā)表在期刊Light: Science & Applications。Bozhang Dong為本文的第一作者和通訊作者，John E. Bowers為本文的共同通訊作者。

▍正文

光學頻率梳是當今激光與時間頻率學科的前沿技術(shù)。其輸出特性為頻譜上的一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量。隨著新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展，光頻梳憑借其超大光學帶寬特性被廣泛應用于光通信，光計算，頻率綜合器，雷達探測，傳感和原子鐘等領(lǐng)域。光頻梳的發(fā)展起源于上世紀60年代發(fā)明的鎖模激光器。從那時起，學界及工業(yè)界對光頻梳的理解更多局限于其幅度調(diào)制特性，具體表現(xiàn)為頻域上不同激光模式間相同而穩(wěn)定的相位差及時域上的周期性光脈沖（見圖1（a）和（c））。為了實現(xiàn)太比特每秒的高速數(shù)據(jù)傳輸， 現(xiàn)階段用于數(shù)據(jù)中心的密集波分復用系統(tǒng)對高性能的光頻梳及微環(huán)調(diào)制器有較高需求。該系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)是微環(huán)調(diào)制器的工作穩(wěn)定性。目前的微環(huán)調(diào)制器對工作環(huán)境和溫度較為敏感，傳統(tǒng)調(diào)幅光頻梳的高強度脈沖輸出會引發(fā)微環(huán)調(diào)制器內(nèi)部的熱效應從而造成其不穩(wěn)定。該系統(tǒng)的另一大挑戰(zhàn)是整體的能耗，而其中光源及冷卻系統(tǒng)的能耗最為突出。如何降低激光脈沖對微環(huán)調(diào)制器的負面影響，并提高激光器的電光轉(zhuǎn)化效率及溫度穩(wěn)定性將是系統(tǒng)性能進一步提升的關(guān)鍵。

圖1. （a）調(diào)幅光頻梳（AM comb）的光譜。由于幅度調(diào)制作用，光譜呈類高斯分布。（b）調(diào)頻光頻梳（FM comb）的光譜。頻率調(diào)制使得激光器顯示出平整的寬帶光譜。（c）調(diào)幅光頻梳在時域上顯示為周期性的光學脈沖。（d）調(diào)頻光頻梳在時域上顯示為周期性的類連續(xù)波。

用于中紅外波段的量子級聯(lián)激光器顯示出了頻率調(diào)制光頻梳的特性。有別于傳統(tǒng)的調(diào)幅光頻梳，新興的調(diào)頻光頻梳的激光模式間的相位差不再是相同的，而是隨著模式的光學頻率呈線性變化趨勢（見圖2（c））。其輸出特性表現(xiàn)為頻域上平整的寬帶光譜及時域上的類連續(xù)波（見圖1（b）和（d））。決定激光器調(diào)制模式的關(guān)鍵在于增益材料。由于可飽和吸收體的存在，調(diào)幅光頻梳的產(chǎn)生需要增益材料內(nèi)載流子的恢復速度顯著慢于可飽和吸收體的恢復速度，從而打開周期性的凈增益窗口以實現(xiàn)幅度調(diào)制。而調(diào)頻光頻梳的形成機制卻正好相反，增益介質(zhì)內(nèi)的載流子恢復速度要足夠快才能產(chǎn)生足夠的光學非線性以實現(xiàn)頻率調(diào)制。正是因為兩種調(diào)制模式相悖的產(chǎn)生機制，調(diào)幅光頻梳多存在于載流子帶間躍遷的量子阱激光器，而調(diào)頻光頻梳多存在于載流子帶內(nèi)躍遷的量子級聯(lián)激光器。

得益于其類連續(xù)波輸出特性，調(diào)頻光頻梳自發(fā)現(xiàn)伊始便引起學界及業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而量子級聯(lián)激光器無法被直接應用于光纖通信波段，故調(diào)頻光頻梳在該波段的開發(fā)尚屬起步階段。近年來，調(diào)頻光頻梳現(xiàn)象陸續(xù)在量子阱和量子點激光器中觀測到，然而其產(chǎn)生機制尚不明確。此外，該類型激光器中的調(diào)幅與調(diào)頻模式也多存在競爭關(guān)系。由于二者產(chǎn)生機制的不同，在此之前學界多認為不同調(diào)制模式的輸出仰賴于特殊的激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計甚至增益材料的選擇。目前學界還欠缺對上述問題的系統(tǒng)性研究，也缺乏有效的技術(shù)手段進行性能優(yōu)化以滿足業(yè)界需求。

本文團隊創(chuàng)新性地提出以量子點激光器作為光纖通信波段內(nèi)的調(diào)頻光頻梳解決方案。不僅如此，該團隊還突破性地實現(xiàn)了調(diào)幅與調(diào)頻光頻梳在同一顆激光器內(nèi)的獨立輸出，以滿足不同的應用場景。得益于載流子三維受限的半導體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，量子點激光器具備極高的電光轉(zhuǎn)換效率及溫度穩(wěn)定性，是高速光子集成電路的理想光源。值得說明的是，由于量子點結(jié)構(gòu)中離散的能級，載流子既可以進行緩慢的帶間躍遷，也可進行快速的帶內(nèi)躍遷，這些過程可由載流子濃度控制。隨著泵浦電流的提升，量子點激光器會從一個“慢增益介質(zhì)”轉(zhuǎn)換成一個“快增益介質(zhì)”，而這便是調(diào)幅與調(diào)頻光頻梳在同一顆激光器內(nèi)獨立輸出的基礎(chǔ)。相比于量子阱激光器和量子級聯(lián)激光器，量子點結(jié)構(gòu)的特殊性使其成為高性能雙調(diào)制模式光頻梳的唯一平臺。本文顯示，在調(diào)幅模式下，量子點激光器可實現(xiàn)脈寬低至 1.7 皮秒的光學脈沖（見圖1（c））。而在調(diào)頻模式下，該激光器可輸出高至2.2太赫茲的3-dB光學帶寬及低至495飛秒的調(diào)頻脈寬（見圖2（b）和（d）），達到量子點鎖模激光器的領(lǐng)先水平。在60 GHz 的信道間隔設(shè)計下，該激光器可同時提供40條功率接近的信道，可在降低信道間串擾的前提下實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。

圖2. （a）調(diào)頻光頻梳在光學克爾效應作用下的輸出光譜。（b）調(diào)頻量子點激光器可輸出的最大帶寬光譜。該激光器的3-dB光學帶寬可達12.1納米（2.2太赫茲）。（c）調(diào)頻光頻梳內(nèi)模式間相位差隨波長變化的分布狀態(tài)。（d）調(diào)頻光頻梳可輸出的最小光學脈寬可達495飛秒。

該團隊進一步探究了量子點激光器中調(diào)頻光頻梳的產(chǎn)生機理，并創(chuàng)新性地提出利用量子點的光學克爾效應對調(diào)頻光頻梳進行優(yōu)化。該方案無需對波導色散進行處理，便可將激光器的光學帶寬提升兩倍以上。在調(diào)頻模式下，在可飽和吸收體上施加反向電壓可以有效地增大激光器的線寬展寬因子從而增強其光學克爾效應（見圖3（a））。該效應可以一定程度上彌補波導色散的負面影響進而提升激光器的光學帶寬（見圖3（b））。重要的是，量子點激光器的克爾效應僅憑可飽和吸收體上的反向偏壓便可有效控制而不會增加生產(chǎn)工藝難度。

圖3. （a）量子點鎖模激光器的線寬展寬因子可由可飽和吸收體上的反向偏壓控制。在“快增益介質(zhì)”內(nèi)，光學克爾效應可由線寬展寬因子決定。（b）量子點激光器的波導色散。（c）調(diào)幅模式下量子點激光器的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。（d）調(diào)頻模式下量子點激光器的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。

最后，本文首度報道了量子點鎖模激光器中的四波混頻效應，并闡釋了如何控制量子點激光器中的四波混頻以輸出不同模式光頻梳。結(jié)果顯示，在弱泵浦電流作用下，量子點激光器的四波混頻效率與量子阱激光器接近，從而可以滿足調(diào)幅光頻梳的產(chǎn)生條件（見圖3（c））。而在強泵浦電流作用下，量子點激光器的四波混頻效率可被提升15 dB以上以輸出調(diào)頻光頻梳（見圖3（d））。該結(jié)果進一步佐證了量子點增益介質(zhì)在泵浦的作用下實現(xiàn)了從“慢增益介質(zhì)”到“快增益介質(zhì)”的轉(zhuǎn)換。

| 論文信息 |

Dong, B., Dumont, M., Terra, O. et al. Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser. Light Sci Appl 12, 182 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01225-z

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