▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

▍導(dǎo)讀

近日，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的 John Bowers 教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型量子點(diǎn)鎖模激光器，可以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制光頻梳和頻率調(diào)制光頻梳的獨(dú)立輸出。該光頻梳方案的調(diào)頻模式輸出可以實(shí)現(xiàn)高至 2.2 太赫茲的 3-dB 光學(xué)帶寬及低至 495 飛秒的光學(xué)脈寬。此外，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出量子點(diǎn)激光器中的光學(xué)克爾效應(yīng)可被用于提升光學(xué)帶寬達(dá)到兩倍以上。該方案可以有效彌補(bǔ)波導(dǎo)色散的負(fù)面影響，有助于降低光頻梳集成過(guò)程中的工藝難度。該工作有助于顯著降低集成密集波分復(fù)用系統(tǒng)的能耗及成本，已得到美國(guó) DARPA PIPES 項(xiàng)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(xué)頻率梳是當(dāng)今激光與時(shí)間頻率學(xué)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(xué)帶寬特性被廣泛應(yīng)用于光通信，光計(jì)算，頻率綜合器，雷達(dá)探測(cè)，傳感和原子鐘等領(lǐng)域。光頻梳的發(fā)展起源于上世紀(jì)60年代發(fā)明的鎖模激光器。從那時(shí)起，學(xué)界及工業(yè)界對(duì)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(shí)域上的周期性光脈沖（見(jiàn)圖1（a）和（c））。為了實(shí)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(fù)用系統(tǒng)對(duì)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(duì)工作環(huán)境和溫度較為敏感，傳統(tǒng)調(diào)幅光頻梳的高強(qiáng)度脈沖輸出會(huì)引發(fā)微環(huán)調(diào)制器內(nèi)部的熱效應(yīng)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(duì)微環(huán)調(diào)制器的負(fù)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(jìn)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(lèi)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(shí)域上顯示為周期性的光學(xué)脈沖。（d）調(diào)頻光頻梳在時(shí)域上顯示為周期性的類(lèi)連續(xù)波。

用于中紅外波段的量子級(jí)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(xué)頻率呈線(xiàn)性變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖2（c））。其輸出特性表現(xiàn)為頻域上平整的寬帶光譜及時(shí)域上的類(lèi)連續(xù)波（見(jiàn)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(fù)速度顯著慢于可飽和吸收體的恢復(fù)速度，從而打開(kāi)周期性的凈增益窗口以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。而調(diào)頻光頻梳的形成機(jī)制卻正好相反，增益介質(zhì)內(nèi)的載流子恢復(fù)速度要足夠快才能產(chǎn)生足夠的光學(xué)非線(xiàn)性以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。正是因?yàn)閮煞N調(diào)制模式相悖的產(chǎn)生機(jī)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(jí)聯(lián)激光器。

得益于其類(lèi)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(xué)界及業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而量子級(jí)聯(lián)激光器無(wú)法被直接應(yīng)用于光纖通信波段，故調(diào)頻光頻梳在該波段的開(kāi)發(fā)尚屬起步階段。近年來(lái)，調(diào)頻光頻梳現(xiàn)象陸續(xù)在量子阱和量子點(diǎn)激光器中觀(guān)測(cè)到，然而其產(chǎn)生機(jī)制尚不明確。此外，該類(lèi)型激光器中的調(diào)幅與調(diào)頻模式也多存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。由于二者產(chǎn)生機(jī)制的不同，在此之前學(xué)界多認(rèn)為不同調(diào)制模式的輸出仰賴(lài)于特殊的激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甚至增益材料的選擇。目前學(xué)界還欠缺對(duì)上述問(wèn)題的系統(tǒng)性研究，也缺乏有效的技術(shù)手段進(jìn)行性能優(yōu)化以滿(mǎn)足業(yè)界需求。

本文團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出以量子點(diǎn)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(tuán)隊(duì)還突破性地實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅與調(diào)頻光頻梳在同一顆激光器內(nèi)的獨(dú)立輸出，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。得益于載流子三維受限的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，量子點(diǎn)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(shuō)明的是，由于量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中離散的能級(jí)，載流子既可以進(jìn)行緩慢的帶間躍遷，也可進(jìn)行快速的帶內(nèi)躍遷，這些過(guò)程可由載流子濃度控制。隨著泵浦電流的提升，量子點(diǎn)激光器會(huì)從一個(gè)“慢增益介質(zhì)”轉(zhuǎn)換成一個(gè)“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(dú)立輸出的基礎(chǔ)。相比于量子阱激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器，量子點(diǎn)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(tái)。本文顯示，在調(diào)幅模式下，量子點(diǎn)激光器可實(shí)現(xiàn)脈寬低至 1.7 皮秒的光學(xué)脈沖（見(jiàn)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(xué)帶寬及低至495飛秒的調(diào)頻脈寬（見(jiàn)圖2（b）和（d）），達(dá)到量子點(diǎn)鎖模激光器的領(lǐng)先水平。在60 GHz 的信道間隔設(shè)計(jì)下，該激光器可同時(shí)提供40條功率接近的信道，可在降低信道間串?dāng)_的前提下實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。

圖2. （a）調(diào)頻光頻梳在光學(xué)克爾效應(yīng)作用下的輸出光譜。（b）調(diào)頻量子點(diǎn)激光器可輸出的最大帶寬光譜。該激光器的3-dB光學(xué)帶寬可達(dá)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(zhǎng)變化的分布狀態(tài)。（d）調(diào)頻光頻梳可輸出的最小光學(xué)脈寬可達(dá)495飛秒。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了量子點(diǎn)激光器中調(diào)頻光頻梳的產(chǎn)生機(jī)理，并創(chuàng)新性地提出利用量子點(diǎn)的光學(xué)克爾效應(yīng)對(duì)調(diào)頻光頻梳進(jìn)行優(yōu)化。該方案無(wú)需對(duì)波導(dǎo)色散進(jìn)行處理，便可將激光器的光學(xué)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(xiàn)寬展寬因子從而增強(qiáng)其光學(xué)克爾效應(yīng)（見(jiàn)圖3（a））。該效應(yīng)可以一定程度上彌補(bǔ)波導(dǎo)色散的負(fù)面影響進(jìn)而提升激光器的光學(xué)帶寬（見(jiàn)圖3（b））。重要的是，量子點(diǎn)激光器的克爾效應(yīng)僅憑可飽和吸收體上的反向偏壓便可有效控制而不會(huì)增加生產(chǎn)工藝難度。

圖3. （a）量子點(diǎn)鎖模激光器的線(xiàn)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(xué)克爾效應(yīng)可由線(xiàn)寬展寬因子決定。（b）量子點(diǎn)激光器的波導(dǎo)色散。（c）調(diào)幅模式下量子點(diǎn)激光器的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。（d）調(diào)頻模式下量子點(diǎn)激光器的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。

最后，本文首度報(bào)道了量子點(diǎn)鎖模激光器中的四波混頻效應(yīng)，并闡釋了如何控制量子點(diǎn)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(diǎn)激光器的四波混頻效率與量子阱激光器接近，從而可以滿(mǎn)足調(diào)幅光頻梳的產(chǎn)生條件（見(jiàn)圖3（c））。而在強(qiáng)泵浦電流作用下，量子點(diǎn)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(jiàn)圖3（d））。該結(jié)果進(jìn)一步佐證了量子點(diǎn)增益介質(zhì)在泵浦的作用下實(shí)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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