導讀
據瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）官網近日報道，該校科學家採用在該校製造的光子芯片，演示了基於激光的微波發生器。這些微波信號及其光學載波，可用於雷達、衛星通信和未來的5G無線網絡。
隨著物聯網、車聯網等新科技不斷髮展，如今加入無線通信網絡的手機、汽車等各種物品變得越來越多。據估計，到2025年，約750億個物聯網設備將影響著我們生活的方方面面。
需要無線通信的設備數量日益增長，然而無線頻譜資源卻是有限的。在有限的可用帶寬上，多個無線通信設備同時傳輸數據時，會互相爭奪空間，造成嚴重的網絡擁堵現象，這也就是所謂的“頻譜危機”。目前，科學家應對這一危機的有效方法包括：向更高頻段發展、科學規劃頻譜資源、提高頻譜資源利用效率、採用逐步成熟的動態頻譜分配方式等，其中使用高頻段的載波是目前的重要趨勢之一。
上世紀70年代以來，隨著半導體激光器、高速光電調製器探測器、集成光學、光纖光學以及微波天線、微波單片集成電路等光學與微波技術的蓬勃發展，出現了一個將微波與光學兩門學科的優勢結合起來的新興交叉領域，並形成一門新學科：微波光子學（Microwave photonics）。它有望為上述問題提供解決方案。
微波光子學的一個關鍵組成部分就是“光學頻率梳”。光學頻率梳是一種特殊的激光源，其頻譜由一系列離散的等間距頻譜線組成。這些頻譜線的分佈，如同我們日常生活中的梳子，梳齒之間保持著相等的距離。這些具有穩定重複頻率的超短光脈衝，精確地對應於梳齒線的頻率間隔。脈衝的光電檢測產生微波載體。
光學頻率梳的光譜（圖片來源：維基百科）
近年來，由連續波激光器驅動的非線性微諧振器產生的芯片級頻率梳，取得了顯著進展。這些頻率梳依賴於耗散克爾孤子的形成。這些克爾孤子是在光學微諧振器內部循環的超短相干光脈衝。因此，這些頻率梳一般被稱為“孤子微梳”。
下圖所示：可通過多個頻道大規模並行傳輸數據的光孤子頻率梳。
（圖片來源: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT）
生成孤子微梳需要非線性微諧振器，這些微諧振器可以採用CMOS納米制造技術直接在芯片上構造。電子電路與集成激光器的整合，為頻率梳的小型化提供了途徑，在計量學、光譜學和通信等領域中開闢了大量的應用。
氮化硅微諧振器（圖片來源: V. Brasch /LPQM, EPFL）
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院的科研團隊在 Tobias J. Kippenberg 的領導下，在《Nature Photonics》期刊上發表的一篇論文，演示了脈衝重複頻率低至10GHz的集成孤子微梳。這是通過顯著降低基於氮化硅的集成光子波導的光損耗來實現的。氮化硅是一種已在CMOS微電子電路中使用的材料，而且過去十年中也被用於構建引導片上激光的光子集成電路。
用於頻率梳以及生成光子微波的氮化硅光子芯片照片。（圖片來源:Junqiu Liu 和 Jijun He, EPFL）
科學家們已經能夠在任何光子集成電路中製造出損耗最低的氮化硅波導。這項技術產生的相干孤子脈衝，在微波K波段（約20GHz，用於5G）以及X波段（約10GHz，用於雷達）中均具有重複頻率。
生成的微波信號具有與商用電子微波合成器相同甚至更低的相位噪聲特性。在微波重複頻率上演示的集成孤子微梳，橋接了集成光子學、非線性光學以及微波光子學領域。
瑞士洛桑聯邦理工學院的團隊實現了足夠低的光學損耗，以允許光在直徑僅為1微米或比髮絲細100倍的波導中傳播近1米。儘管這個損耗水平仍比光纖中的損耗水平高三個數量級以上，但它代表了迄今為止對於集成非線性光子學來說任何嚴格限制的波導中的最低損耗。
如此低的損耗，要歸功於瑞士洛桑聯邦理工學院科學家開發的一項新制造工藝，即“氮化硅光子學大馬士革鑲嵌工藝”。該論文的第一作者、瑞士洛桑聯邦理工學院微納技術（CMi）中心領導氮化硅製造的 Junqiu Liu 表示：“當使用深紫外步進光刻技術進行這種處理時，就低損耗而言，它確實具有令人驚歎的性能，而傳統的納米制造技術則無法實現。這些微梳及其微波信號是構建用於未來雷達和信息網絡架構的全集成低噪聲微波振盪器的關鍵要素。”
瑞士洛桑聯邦理工學院團隊已與位於美國的合作伙伴展開合作，開發出結合了芯片級半導體激光器的混合集成孤子微梳模塊。這些高度緊湊的微梳可以影響許多應用，例如數據中心中的收發器、激光雷達、緊湊型光學原子鐘、光學相干層析成像、微波光子學以及光譜學。
關鍵字
頻率梳、原子鐘、光譜學
【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/
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