▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

近日，來自美國加州大學圣塔芭芭拉分校的 John Bowers 教授團隊提出了一種新型量子點鎖模激光器，可以實現幅度調制光頻梳和頻率調制光頻梳的獨立輸出。該光頻梳方案的調頻模式輸出可以實現高至 2.2 太赫茲的 3-dB 光學帶寬及低至 495 飛秒的光學脈寬。此外，該團隊創新性地提出量子點激光器中的光學克爾效應可被用于提升光學帶寬達到兩倍以上。該方案可以有效彌補波導色散的負面影響，有助于降低光頻梳集成過程中的工藝難度。該工作有助于顯著降低集成密集波分復用系統的能耗及成本，已得到美國 DARPA PIPES 項目的支持與資助。

該研究成果以“Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser”為題發表在期刊Light: Science & Applications。Bozhang Dong為本文的第一作者和通訊作者，John E. Bowers為本文的共同通訊作者。

▍正文

光學頻率梳是當今激光與時間頻率學科的前沿技術。其輸出特性為頻譜上的一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關系的頻率分量。隨著新一代信息技術的高速發展，光頻梳憑借其超大光學帶寬特性被廣泛應用于光通信，光計算，頻率綜合器，雷達探測，傳感和原子鐘等領域。光頻梳的發展起源于上世紀60年代發明的鎖模激光器。從那時起，學界及工業界對光頻梳的理解更多局限于其幅度調制特性，具體表現為頻域上不同激光模式間相同而穩定的相位差及時域上的周期性光脈沖（見圖1（a）和（c））。為了實現太比特每秒的高速數據傳輸， 現階段用于數據中心的密集波分復用系統對高性能的光頻梳及微環調制器有較高需求。該系統的一大挑戰是微環調制器的工作穩定性。目前的微環調制器對工作環境和溫度較為敏感，傳統調幅光頻梳的高強度脈沖輸出會引發微環調制器內部的熱效應從而造成其不穩定。該系統的另一大挑戰是整體的能耗，而其中光源及冷卻系統的能耗最為突出。如何降低激光脈沖對微環調制器的負面影響，并提高激光器的電光轉化效率及溫度穩定性將是系統性能進一步提升的關鍵。

圖1. （a）調幅光頻梳（AM comb）的光譜。由于幅度調制作用，光譜呈類高斯分布。（b）調頻光頻梳（FM comb）的光譜。頻率調制使得激光器顯示出平整的寬帶光譜。（c）調幅光頻梳在時域上顯示為周期性的光學脈沖。（d）調頻光頻梳在時域上顯示為周期性的類連續波。

用于中紅外波段的量子級聯激光器顯示出了頻率調制光頻梳的特性。有別于傳統的調幅光頻梳，新興的調頻光頻梳的激光模式間的相位差不再是相同的，而是隨著模式的光學頻率呈線性變化趨勢（見圖2（c））。其輸出特性表現為頻域上平整的寬帶光譜及時域上的類連續波（見圖1（b）和（d））。決定激光器調制模式的關鍵在于增益材料。由于可飽和吸收體的存在，調幅光頻梳的產生需要增益材料內載流子的恢復速度顯著慢于可飽和吸收體的恢復速度，從而打開周期性的凈增益窗口以實現幅度調制。而調頻光頻梳的形成機制卻正好相反，增益介質內的載流子恢復速度要足夠快才能產生足夠的光學非線性以實現頻率調制。正是因為兩種調制模式相悖的產生機制，調幅光頻梳多存在于載流子帶間躍遷的量子阱激光器，而調頻光頻梳多存在于載流子帶內躍遷的量子級聯激光器。

得益于其類連續波輸出特性，調頻光頻梳自發現伊始便引起學界及業界的廣泛關注。然而量子級聯激光器無法被直接應用于光纖通信波段，故調頻光頻梳在該波段的開發尚屬起步階段。近年來，調頻光頻梳現象陸續在量子阱和量子點激光器中觀測到，然而其產生機制尚不明確。此外，該類型激光器中的調幅與調頻模式也多存在競爭關系。由于二者產生機制的不同，在此之前學界多認為不同調制模式的輸出仰賴于特殊的激光器結構設計甚至增益材料的選擇。目前學界還欠缺對上述問題的系統性研究，也缺乏有效的技術手段進行性能優化以滿足業界需求。

本文團隊創新性地提出以量子點激光器作為光纖通信波段內的調頻光頻梳解決方案。不僅如此，該團隊還突破性地實現了調幅與調頻光頻梳在同一顆激光器內的獨立輸出，以滿足不同的應用場景。得益于載流子三維受限的半導體異質結結構，量子點激光器具備極高的電光轉換效率及溫度穩定性，是高速光子集成電路的理想光源。值得說明的是，由于量子點結構中離散的能級，載流子既可以進行緩慢的帶間躍遷，也可進行快速的帶內躍遷，這些過程可由載流子濃度控制。隨著泵浦電流的提升，量子點激光器會從一個“慢增益介質”轉換成一個“快增益介質”，而這便是調幅與調頻光頻梳在同一顆激光器內獨立輸出的基礎。相比于量子阱激光器和量子級聯激光器，量子點結構的特殊性使其成為高性能雙調制模式光頻梳的唯一平臺。本文顯示，在調幅模式下，量子點激光器可實現脈寬低至 1.7 皮秒的光學脈沖（見圖1（c））。而在調頻模式下，該激光器可輸出高至2.2太赫茲的3-dB光學帶寬及低至495飛秒的調頻脈寬（見圖2（b）和（d）），達到量子點鎖模激光器的領先水平。在60 GHz 的信道間隔設計下，該激光器可同時提供40條功率接近的信道，可在降低信道間串擾的前提下實現大容量數據傳輸。

圖2. （a）調頻光頻梳在光學克爾效應作用下的輸出光譜。（b）調頻量子點激光器可輸出的最大帶寬光譜。該激光器的3-dB光學帶寬可達12.1納米（2.2太赫茲）。（c）調頻光頻梳內模式間相位差隨波長變化的分布狀態。（d）調頻光頻梳可輸出的最小光學脈寬可達495飛秒。

該團隊進一步探究了量子點激光器中調頻光頻梳的產生機理，并創新性地提出利用量子點的光學克爾效應對調頻光頻梳進行優化。該方案無需對波導色散進行處理，便可將激光器的光學帶寬提升兩倍以上。在調頻模式下，在可飽和吸收體上施加反向電壓可以有效地增大激光器的線寬展寬因子從而增強其光學克爾效應（見圖3（a））。該效應可以一定程度上彌補波導色散的負面影響進而提升激光器的光學帶寬（見圖3（b））。重要的是，量子點激光器的克爾效應僅憑可飽和吸收體上的反向偏壓便可有效控制而不會增加生產工藝難度。

圖3. （a）量子點鎖模激光器的線寬展寬因子可由可飽和吸收體上的反向偏壓控制。在“快增益介質”內，光學克爾效應可由線寬展寬因子決定。（b）量子點激光器的波導色散。（c）調幅模式下量子點激光器的四波混頻轉換效率。（d）調頻模式下量子點激光器的四波混頻轉換效率。

最后，本文首度報道了量子點鎖模激光器中的四波混頻效應，并闡釋了如何控制量子點激光器中的四波混頻以輸出不同模式光頻梳。結果顯示，在弱泵浦電流作用下，量子點激光器的四波混頻效率與量子阱激光器接近，從而可以滿足調幅光頻梳的產生條件（見圖3（c））。而在強泵浦電流作用下，量子點激光器的四波混頻效率可被提升15 dB以上以輸出調頻光頻梳（見圖3（d））。該結果進一步佐證了量子點增益介質在泵浦的作用下實現了從“慢增益介質”到“快增益介質”的轉換。

| 論文信息 |

Dong, B., Dumont, M., Terra, O. et al. Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser. Light Sci Appl 12, 182 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01225-z

閱讀原文