光學(xué)頻率梳(Optical frequency comb)是一種特殊的光源，其在頻率域上具有嚴(yán)格相等的頻率間隔，類似梳齒，所以被形象的稱為“光頻梳”。鎖模的“光頻梳”經(jīng)傅里葉變換到時(shí)域上，則是一種在傳播過程中可以維持波形不變的超短脈沖。

光頻梳技術(shù)被廣泛應(yīng)用于精密測量、光譜學(xué)和量子傳感上，并產(chǎn)生了革命性的影響。因此兩位為光頻梳發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家分享了2005年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。早期的光頻梳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體積龐大且成本昂貴，在過去的十幾年中，大量的研究工作致力于將這項(xiàng)技術(shù)在芯片級(jí)的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，尤其是基于低損耗微諧振腔的克爾孤子光頻梳。借助于成熟的微納加工工藝，芯片級(jí)的光頻梳有望實(shí)現(xiàn)重量、功耗和成本的顯著降低，從而推動(dòng)光頻梳在激光雷達(dá)、相干通信、微波光子等領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。

未來用于實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)高性能光頻梳生成的集成光子材料平臺(tái)通常需要具備合適的折射率、高非線性系數(shù)、低光學(xué)損耗等特性；另外，材料平臺(tái)是否與微電子CMOS工藝兼容也是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，因?yàn)榻柚墒斓腃MOS工藝平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化芯片制造，進(jìn)而具備低成本、高集成度、高可靠性的應(yīng)用優(yōu)勢。

當(dāng)前，氮化硅、硅、鈮酸鋰、III-V族半導(dǎo)體、碳化硅、氮化鋁等非線性光子薄膜平臺(tái)先后被開發(fā)用于實(shí)現(xiàn)孤子光頻梳。其中，碳化硅（Silicon carbide，SiC）在光學(xué)損耗、二階/三階非線性系數(shù)、CMOS兼容特性以及量子光源方面具有較為全面的性能優(yōu)勢，其在集成光學(xué)上的應(yīng)用前景被廣泛關(guān)注。

碳化硅是第三代半導(dǎo)體中的核心材料，在電動(dòng)汽車、5G通信、高壓電子等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮著不可替代的作用。但在光子集成特別是孤子光頻梳領(lǐng)域，碳化硅還是一種新興的材料平臺(tái)，其在孤子產(chǎn)生、頻率轉(zhuǎn)換方面的性能優(yōu)勢還有待探索。

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)董春華團(tuán)隊(duì)、華東師范大學(xué)程亞團(tuán)隊(duì)以及深圳國際量子研究院的劉駿秋團(tuán)隊(duì)合作，在碳化硅的微腔孤子光頻梳方面取得了重要進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)在利用異質(zhì)集成技術(shù)將高純碳化硅晶圓與氧化硅絕緣襯底進(jìn)行高強(qiáng)度鍵合，結(jié)合精密減薄技術(shù)，制備出晶圓級(jí)絕緣體上碳化硅薄膜（SiCOI），并采用飛秒激光光刻的方法制備了碳化硅微諧振腔，諧振腔的Q值可達(dá)4.5×10??；谠撝C振腔，在39mW的光泵浦下，可以產(chǎn)生譜寬為500 nm的光學(xué)頻率梳。

該研究成果以“Soliton Formation and Spectral Translation into Visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator Platform”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFA1404600），上海市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（22JC1403300）等的支持。

圖1：SiC孤子單孤子、雙孤子的產(chǎn)生及其孤子噪聲譜

微腔中孤子的產(chǎn)生源于微腔損耗和參量增益、色散和非線性效應(yīng)的雙重平衡，實(shí)驗(yàn)上，需要優(yōu)化微腔色散和仔細(xì)調(diào)節(jié)泵浦激光與微腔模式的相對(duì)位置來達(dá)到。

研究團(tuán)隊(duì)所測定的碳化硅的熱光系數(shù)為4.67×10??K?1，這意味著基于微腔熱效應(yīng)對(duì)孤子平衡態(tài)的影響較大，不利于孤子的穩(wěn)定產(chǎn)生。

研究團(tuán)隊(duì)采用了輔助光熱補(bǔ)償?shù)姆椒?，來達(dá)到碳化硅孤子的穩(wěn)定產(chǎn)生，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了SiC平臺(tái)的單孤子、雙孤子和多種孤子晶體的觀測（圖1）。這也是目前國際上首次在室溫條件下產(chǎn)生碳化硅芯片上的孤子光頻梳。

圖2：基于二階和三階非線性效應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換原理

相較于目前主流的光頻梳平臺(tái)氮化硅（Silicon nitride），碳化硅同時(shí)具有的高的本征二階和三階非線性效應(yīng)，可以為跨頻段的寬譜光頻梳產(chǎn)生提供新的技術(shù)方案。

原理如圖2所示。紅外泵浦激光（通常在1550nm附近）耦合進(jìn)入微腔之后，紅外波段的光頻梳將由四波混頻效應(yīng)（三階非線性）產(chǎn)生，而由于二階非線性效應(yīng)，在相位匹配條件滿足的情況下，同一頻率的紅外梳齒或相近的兩個(gè)紅外梳齒將產(chǎn)生諧波效應(yīng)或者和頻效應(yīng)（二階非線性），進(jìn)而在可見光或近可見光波段生成具有同等頻率間隔的光頻梳。

圖3：SiC微腔從紅外到可見光頻梳產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)從紅外到可見光頻梳產(chǎn)生過程的進(jìn)行了動(dòng)態(tài)觀測。隨著泵浦激光與微腔模式的失諧量減小，紅外和可見光頻梳逐漸密集，各個(gè)過程梳齒之間的頻率關(guān)系滿足倍頻關(guān)系。

研究工作在150mW的泵浦光功率，可以實(shí)現(xiàn)超過150條可見光頻率梳的產(chǎn)生，從紅外到可見波段的轉(zhuǎn)換效率高于目前氮化鋁平臺(tái)約一個(gè)量級(jí)。

研究團(tuán)隊(duì)基于碳化硅微腔實(shí)現(xiàn)的從紅外到可見波段的光頻梳對(duì)未來拓寬光頻梳技術(shù)在光譜學(xué)上的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)頻梳的片上自參考鎖定具有重要的意義。

| 論文信息 |

Wang, C., Li, J., Yi, A. et al. Soliton formation and spectral translation into visible on CMOS-compatible 4H-silicon-carbide-on-insulator platform. Light Sci Appl 11, 341 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01042-w

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