Nature:诺奖技术光频梳再获重大突破!
初学者 纳米人 2019-03-13

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第一作者:Mian Zhang, BrandonBuscaino, Cheng Wang

通讯作者:Marko Lončar 、Joseph M. Kahn

通讯单位:哈佛大学、斯坦福大学

 

研究亮点:

1. 基于薄膜铌酸锂光子学平台搭建了一种集成的电光调制(EO)光频梳发生器。

2. 实现了稳定的宽频带的EO光频梳,在保证色散控制的前提下,实现了高EO响应、极低光损耗、高度共局域的微波场和光场。

 

光频梳前景无限

光学频率梳是激光技术领域的重大革新,2005年,Theodor Hänsch 和John L. Hall因为对光频梳技术的开创性工作,获得当年诺贝尔物理学奖。光频梳是由离散的、等间距频率的光学分量构成,是光通信、精密测量、计时、光谱学领域十分重要的工具。

 

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TheodorHänsch(左) 和John Hall(右)

2005年诺贝尔物理学奖得主

 

近年来,光频梳被用于在加快光纤传输速度方面再度引起关注。2015年,加州大学圣地亚哥分校Nikola Alic带领的研究团队通过“频率梳”装置,预测并解决了光纤传播信息过程中的信号失真问题,在不使用中继器的情况下,有效传输举例能够突破1.2万公里,即可直接传输比通常情况强20倍的信号。2017年,来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和洛桑联邦理工学院的研究人员(Tobias J.Kippenberg和Christian Koos团队)在Nature上报道,采用一对氮化硅微谐振器光频梳,以179个独立的载波波长,可通过75公里的单模光纤传输50兆比特的数据,极大地提高数据传输质量,这相当于超过50亿台手机或者200万路高清电视的通信容量。这些新发现将有助于带来更快、更廉价的光纤网络。


 

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参考文献:PabloMarin-Palomo, Tobias J. Kippenberg, Christian Koos et al.: Microresonator-basedsolitons for massively parallel coherent optical communications, Nature 2017,546, 274-279.

 

光频梳发展的障碍

目前,宽频带的光频梳通常由锁模激光器或具有三阶科尔非线性的、色散控制的谐振腔产生。此外,也可在强二阶非线性谐振腔中采用电光(EO)相位调制来产生光频梳,这种方法的优点是所得光频梳稳定性、可控性优异。然而,先前报道的EO光频梳存在频带较窄的问题,原因是自由空间通信系统中EO相互作用弱,且缺乏色散控制。

 

EO光频梳新突破

有鉴于此,哈佛大学MarkoLončar团队和斯坦福大学Joseph M. Kahn团队发展了一种集成的电光调制(EO)光频梳发生器,可产生稳定的宽频带光频梳。

 

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 图1. 集成的EO光频梳发生器

 

研究人员利利用薄膜铌酸锂光子学平台搭建了集成的EO光频梳发生器,在保证色散控制的前提下,实现了高EO响应、极低光损耗、高度共局域的微波场和光场。基于实验所测EO光频梳的频率范围超过整个L波段(超过900个光频齿,对应~10 GHz的跨度),且未来的色散控制可进一步产生跨倍频程的光频梳。与先前基于磷化铟和硅平台的集成EO梳相比,该器件的梳齿宽度增加了近两个数量级。

 

此外,光频梳发生器对调制频率失谐具有高的耐受性,在横跨7个数量级的频带范围内(10 Hz-100 MHz)可以很好的控制光频齿的间隔;利用这个特点,作者在单谐振腔内实现了双频梳。

 

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图2. EO双频梳

 

小结

这些结果都证明集成EO光频梳发生器能产生频带宽、信号稳定的梳状谱。其优异的可重构性对于集成的科尔光频梳是很好的补充,为光谱学、光通信等领域的应用做出了重要推动作用。 

 

参考文献

Mian Zhang, Brandon Buscaino,Cheng Wang, Amirhassan Shams-Ansari, Christian Reimer, Rongrong Zhu, Joseph M.Kahn & Marko Lončar. Broadband electro-optic frequency combgeneration in a lithium niobate microring resonator. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1008-7

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1008-7

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