光学频率梳（Optical Frequency Comb，简称 OFC）技术在过去的几十年里一直是光子学中最活跃的领域之一，为基础科学和商业环境中的现代技术进步作出了突出贡献。
在时间频率计量方面，OFC 可用于连接光频和微波频率，这使其成为光谱学、原子钟和宇宙测量领域的核心支撑，并因此获得了 2005 年诺贝尔奖；在通信领域，OFC 能够为波分复用（Wavelength Division Multiplexing）系统提供数百到数万条光频通道，以应对互联网和数据中心里数据流量快速增长的需求。
如今，得益于光子芯片技术的不断进步，近年来 OFC 的芯片化取得了重要的进展，其应用空间变得更为广阔。目前，OFC 已在光计算、激光雷达、生物医疗等领域实现了重大突破。OFC 所具有的多波长的并行优势，颠覆了传统的计算与传感的系统架构，带来了系统信息处理速度上的巨大的提升。
近日，来自美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的常林 （目前已入职北大担任博士生导师）、刘松涛（目前任职于 Intel）与约翰·鲍尔斯（John Bowers）教授因在这一领域的突出贡献，受邀撰文解读了 OFC 技术的历史、发展现状和未来。相关论文以《集成光频梳技术》（Integrated optical frequency comb technologies）为题发表在 Nature Photonics 上[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Photonics）
作为一名芯片领域的前沿学者，近年来常林与合作者在光子芯片的研究中取得了一系列重大成果。他与团队研发出的核心技术，为 OFC 打开了芯片化的大门。
常林说，OFC 乃至于整个光子芯片技术发展的关键是多材料体系的集成技术。这是因为，在光子芯片中，不同的材料体系发挥着不同的重要功能，缺一不可，而传统集成光学技术中相对单一的材料严重制约了集成光学的功能实现。
围绕这一关键问题，常林与团队在过去几年里研发了一系列多材料体系集成的核心技术，如超低损耗的三五族半导体[2] (Nature Communications 2020)、氮化硅的光子芯片平台[3] (Nature Photonics 2021)、多材料体系的先进系统封装 [4,5] (Nature 2018, Nature 2020) 以及在晶圆级别的集成[6] (Science 2021)，并推出世界首个 200nm 晶圆微腔光谱梳并达成量产[3] (Nature Photonics 2021) 等，将光频梳这一技术从实验室推进到了产业化时代。
具体到光频梳的器件层面，常林表示，当前，集成 OFC 器件主要分为集成半导体锁模激光器和集成非线性光频梳器件。根据光频梳的不同实现路线，其集成化的方案也不相同。
对于锁模激光器来说，集成化方案是片上三五族半导体激光器的实现；而对于非线性光频梳而言，小型化的方案主要依赖于低损耗、高非线性集成光学平台，如绝缘体上的化合物半导体、氮化硅、铌酸锂等。
这两种器件的根本区别在于，其泵浦方式为直接电泵还是通过光泵。
半导体锁模激光器首先是由激光器直接产生多个波长的光，接着通过激光器内部的一些效应实现波长之间的相互锁定，包括可饱和吸收等。
而非线性光频梳器件一般是由光学泵浦通过非线性的效应产生新的频率，如克尔效应、电光效应、二阶非线性效应等。非线性光频梳的器件形态一般为微腔或波导。
需要注意的是，集成半导体锁模激光器的发展是要早于集成非线性器件的。这是因为，集成半导体锁模激光器所用到的光学激光器发展相对较早，而非线性器件的实现依赖低损高非线性的平台，其在 21 世纪之后开始逐渐出现，直到前几年才发展起来。
此外，光学非线性的过程一般比较复杂，如克尔频梳。其基本原理是依赖于四波混频效应产生新的频率光，同时通过非线性与色散的相互作用实现稳定相干的频梳态，是使用最为广泛的非线性频梳。
迄今为止，OFC 技术已在集成光子学领域取得了显著的成就，不同的光子平台上出现了各种在芯片上实现梳状产生的方法，其性能甚至可与传统固态或基于光纤的梳状源相媲美，如梳状跨度和噪声等。
尽管 OFC 技术具有明确的价值和非比寻常的重要性，但由于它们通常依靠体积庞大、耗电量大、价格昂贵的设备来产生、控制和操纵梳状光，因此主要被部署在研究实验室中。
而集成光子学通过利用现代制造基础设施，在降低系统尺寸、重量、功耗和成本方面具有巨大优势。此外，集成光子学在过去 20 年中蓬勃发展，尤其是基于硅的集成光子学，这使得应用先进光刻和纳米制造技术来生产 OFC 器件的愿景成为可能。
未来，OFC 有望因此而加快从研究室实验转向消费者应用的进程，并迈向自动驾驶、5G/6G 通信和机器学习等许多新兴技术领域。
据悉，要想使 OFC 器件真正发挥大作用，须将其集成到 PIC（Photonic Integrated Circuit，集成光路）中。
图 | PIC 中集成 OFC 器件（来源：Nature Photonics）
论文中，该团队展示了他们实现的利用多材料集成的示例，其将磷化铟、砷化镓、硅、氮化硅等一系列材料放入 PIC 中，以实现集成光频合成器。
由于不同的材料体系在 PIC 中起着不同的作用，采用多材料体系集成的方式可以在 PIC 中发挥最大优势，从而带来最大化的系统层面性能。
对于 PIC 技术来说，微纳制造工艺和材料科学发展都严重制约着其产品化，集成 OFC 器件也面临同样的情况。如何大规模、低成本实现多材料体系融合且高性能的 OFC 平台是当前集成 OFC 器件研究的重点和难点。
图 | OFC 技术的关键指标和性能（来源：Nature Photonics）
对此，常林称，围绕这一点，其团队与众多同行们在化合物半导体、氮化硅、铌酸锂、硅波导等材料的生长和工艺上取得了不少突破，包括研发缺点更少、寿命更长的激光器和损耗更低的非线性平台。
他表示，为了让这些不同的材料体系在 PIC 中发挥作用，单片集成、异质集成、混合集成等多种先进集成方式的应用是集成 OFC 器件的发展方向。
随着光频梳集成化的成功和产业化的开启，光子芯片的商业前景将被极大拓展。
一方面，利用其梳齿相干的特性，过去昂贵的精密测量系统将有望实现小型化，包括光原子钟和光谱仪等。另一方面，通过多波长的并行能力，基于光子芯片的光计算有望实现计算速度上量级式的提升。
此外，传感领域更为广大的市场来自于激光雷达。通过光频梳所实现的并行激光雷达体系，将大大提升系统的采样速率，降低硬件成本，从而解决自动驾驶领域长期以来在探测方面的瓶颈。
图 | 常林（来源：常林）
常林称，对于这一系列的发展来说，目前最为重要的指标是梳齿的功率，其直接决定了系统中信号的质量。
因此，他认为，对于通信及一些对线宽和波长数要求不严格的应用来说，锁模激光器会是先被使用的方案，其在产品成熟度以及功率上有很大优势；而对于有着更高相干性和梳齿数量需求的应用来说，基于非线性的频梳长期来看有着很大的潜力，其在线宽和光谱宽度上有一定的优势。
现在，常林已入职北大电子学院担任博士生导师。他最大的愿望，就是培养出一大批光子芯片优秀的人才，一起推动光频梳以及一些列光子芯片技术的发展，让光子芯片技术照亮世界。对于未来，他充满信心。
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支持：张智
参考：
1. L. Chang, S. Liu, and J. E. Bowers, "Integrated optical frequency comb technologies," Nature Photonics 16(2), 95–108 (2022).
2. L. Chang, W. Xie, H. Shu, Q. F. Yang, B. Shen, A. Boes, J. D. Peters, W. Jin, C. Xiang, S. Liu, G. Moille, S. P. Yu, X. Wang, K. Srinivasan, S. B. Papp, K. Vahala, and J. E. Bowers, "Ultra-efficient frequency comb generation in AlGaAs-on-insulator microresonators," Nature Communications 11, 1331- (2020).
3. W. Jin, Q. F. Yang, L. Chang, B. Shen, H. Wang, M. A. Leal, L. Wu, M. Gao, A. Feshali, M. Paniccia, K. J. Vahala, and J. E. Bowers, "Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators," Nature Photonics 15(5), 346–353 (2021).
4. B. Shen, L. Chang, J. Liu, H. Wang, Q. F. Yang, C. Xiang, R. N. Wang, J. He, T. Liu, W. Xie, J. Guo, D. Kinghorn, L. Wu, Q. X. Ji, T. J. Kippenberg, K. Vahala, and J. E. Bowers, "Integrated turnkey soliton microcombs," Nature 582(7812), 365–369 (2020).
5. D. T. Spencer, T. Drake, T. C. Briles, J. Stone, L. C. Sinclair, C. Fredrick, Q. Li, D. Westly, B. R. Ilic, A. Bluestone, N. Volet, T. Komljenovic, L. Chang, S. H. Lee, D. Y. Oh, M.-G. G. Suh, K. Y. Yang, M. H. P. Pfeiffer, T. J. Kippenberg, E. Norberg, L. Theogarajan, K. Vahala, N. R. Newbury, K. Srinivasan, J. E. Bowers, S. A. Diddams, and S. B. Papp, "An optical-frequency synthesizer using integrated photonics," Nature 557(7703), 81–85 (2018).
6. C. Xiang, J. Liu, J. Guo, L. Chang, R. N. Wang, W. Weng, J. Peters, W. Xie, Z. Zhang, J. Riemenberger, J. Selvidge, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, "Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon," Science 373(6550), 99–103 (2021).
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