新型片上激光频率梳诞生！效率提升百倍，带宽达以往两倍多

在环境监测、光学计算、天文和计量等应用领域，片上激光频率梳是一种很有前途的技术。然而，由于无法设计出既高效，带宽又得到大幅提升的片上激光频率梳，这方面的问题多年来一直困扰着研究人员，同时也阻碍了这些设备的广泛商业化。

近日，来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一个团队开发了一种电光频率梳，这种片上频率梳将耦合谐振腔与电光频率梳结合起来，以提高频率梳的效率和带宽。

结果显示，它不仅效率方面提高了100倍，带宽还达到了此前版本的两倍多。未来，这种电光频率梳有望支持光通信、天文学、光学计算、测距和光学计量等一系列潜在应用。

图片来源：Harvard SEAS

上述研究整合了高效率和宽频带的概念，以解决目前存在于基于谐振器的电光频率梳的效率－带宽（efficiency－bandwidth）权衡问题。研究结果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

据介绍，早在2019年，该团队就宣布演示了据称是全球首个可以用微波控制的稳定的芯片频率梳。这种电光频率梳建立在铌酸锂平台上，跨越了整个电信带宽，但效率有限。到了2021年，该团队开发了一种用于控制光流的耦合谐振器设备，研究人员使用该设备演示了芯片上的频移器，能够以接近100％的效率改变光的颜色。

而最近，SEAS团队在针对基于薄膜铌酸锂耦合谐振器平台的片上频率梳实验中得出结果，显示片上激光频率梳的转换效率达到了30％，光学跨度为132 nm，成功地在不牺牲带宽的情况下提高了效率。

研究人员还表明，电光频率梳可以作为集成飞秒脉冲源。在芯片上产生飞秒脉冲的能力，对于非线性光子学、光学原子钟、光学传感和time－bin编码的光学计算而言都非常重要。据悉，在超快和高功率的情况下，该团队演示了一个兼具电光和三阶非线性效应的频率梳。

SEAS博士后Mengjie Yu表示：“我们发现，当你把梳源的性能提高到这个水平时，设备开始以一种全新的状态运行，它结合了电光频率梳生成过程和更传统的克尔频率梳方法。”

兼具高效率、宽跨度的片上频率梳，对一系列光学应用而言具有重要意义。例如，梳子效率的百倍提高可以使频率复用应用（如光通信）的信噪比提高20分贝。先进的片上频率梳还可以降低操作光神经网络所需的光泵功率。此外，将片上微波谐振器与高效、宽带、片上电光频率梳源集成可以降低微波功率消耗。片上频率梳的高转换效率则有望带来纠缠光子的新一代宽频电光梳，从而广泛地落地实现频域量子信息处理。