导读

据瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）官网近日报道，该校科学家采用在该校制造的光子芯片，演示了基于激光的微波发生器。这些微波信号及其光学载波，可用于雷达、卫星通信和未来的5G无线网络。

随着物联网、车联网等新科技不断发展，如今加入无线通信网络的手机、汽车等各种物品变得越来越多。据估计，到2025年，约750亿个物联网设备将影响着我们生活的方方面面。

需要无线通信的设备数量日益增长，然而无线频谱资源却是有限的。在有限的可用带宽上，多个无线通信设备同时传输数据时，会互相争夺空间，造成严重的网络拥堵现象，这也就是所谓的“频谱危机”。目前，科学家应对这一危机的有效方法包括：向更高频段发展、科学规划频谱资源、提高频谱资源利用效率、采用逐步成熟的动态频谱分配方式等，其中使用高频段的载波是目前的重要趋势之一。
上世纪70年代以来，随着半导体激光器、高速光电调制器探测器、集成光学、光纤光学以及微波天线、微波单片集成电路等光学与微波技术的蓬勃发展，出现了一个将微波与光学两门学科的优势结合起来的新兴交叉领域，并形成一门新学科：微波光子学（Microwave photonics）。它有望为上述问题提供解决方案。
微波光子学的一个关键组成部分就是“光学频率梳”。光学频率梳是一种特殊的激光源，其频谱由一系列离散的等间距频谱线组成。这些频谱线的分布，如同我们日常生活中的梳子，梳齿之间保持着相等的距离。这些具有稳定重复频率的超短光脉冲，精确地对应于梳齿线的频率间隔。脉冲的光电检测产生微波载体。

光学频率梳的光谱（图片来源：维基百科）

近年来，由连续波激光器驱动的非线性微谐振器产生的芯片级频率梳，取得了显著进展。这些频率梳依赖于耗散克尔孤子的形成。这些克尔孤子是在光学微谐振器内部循环的超短相干光脉冲。因此，这些频率梳一般被称为“孤子微梳”。

可通过多个频道大规模并行传输数据的光孤子频率梳（图片来源: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT）

生成孤子微梳需要非线性微谐振器，这些微谐振器可以采用CMOS纳米制造技术直接在芯片上构造。电子电路与集成激光器的整合，为频率梳的小型化提供了途径，在计量学、光谱学和通信等领域中开辟了大量的应用。

氮化硅微谐振器（图片来源: V. Brasch /LPQM, EPFL）

近日，瑞士洛桑联邦理工学院的科研团队在 Tobias J. Kippenberg 的领导下，在《Nature Photonics》期刊上发表的一篇论文，演示了脉冲重复频率低至10GHz的集成孤子微梳。这是通过显著降低基于氮化硅的集成光子波导的光损耗来实现的。氮化硅是一种已在CMOS微电子电路中使用的材料，而且过去十年中也被用于构建引导片上激光的光子集成电路。

用于频率梳以及生成光子微波的氮化硅光子芯片照片。（图片来源:Junqiu Liu 和 Jijun He, EPFL）

科学家们已经能够在任何光子集成电路中制造出损耗最低的氮化硅波导。这项技术产生的相干孤子脉冲，在微波K波段（约20GHz，用于5G）以及X波段（约10GHz，用于雷达）中均具有重复频率。
生成的微波信号具有与商用电子微波合成器相同甚至更低的相位噪声特性。在微波重复频率上演示的集成孤子微梳，桥接了集成光子学、非线性光学以及微波光子学领域。
瑞士洛桑联邦理工学院的团队实现了足够低的光学损耗，以允许光在直径仅为1微米或比发丝细100倍的波导中传播近1米。尽管这个损耗水平仍比光纤中的损耗水平高三个数量级以上，但它代表了迄今为止对于集成非线性光子学来说任何严格限制的波导中的最低损耗。
如此低的损耗，要归功于瑞士洛桑联邦理工学院科学家开发的一项新制造工艺，即“氮化硅光子学大马士革镶嵌工艺”。该论文的第一作者、瑞士洛桑联邦理工学院微纳技术（CMi）中心领导氮化硅制造的 Junqiu Liu 表示：“当使用深紫外步进光刻技术进行这种处理时，就低损耗而言，它确实具有令人惊叹的性能，而传统的纳米制造技术则无法实现。这些微梳及其微波信号是构建用于未来雷达和信息网络架构的全集成低噪声微波振荡器的关键要素。”
瑞士洛桑联邦理工学院团队已与位于美国的合作伙伴展开合作，开发出结合了芯片级半导体激光器的混合集成孤子微梳模块。这些高度紧凑的微梳可以影响许多应用，例如数据中心中的收发器、激光雷达、紧凑型光学原子钟、光学相干层析成像、微波光子学以及光谱学。

关键字

频率梳、原子钟、光谱学

参考资料

【1】Junqiu Liu, Erwan Lucas, Arslan S. Raja, Jijun He, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Maxim Karpov, Hairun Guo, Romain Bouchand, Tobias J. Kippenberg. Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs. Nature Photonics, 2020; DOI: 10.1038/s41566-020-0617-x

【2】https://actu.epfl.ch/news/photonic-microwave-generation-using-on-chip-optica/