科学家研制出宽带量子点频率调制梳状激光器

​量子点（QD）激光器是产生频率调制（FM）和振幅调制（AM）频闪的理想平台。这些梳状现象的产生机制各不相同，并取决于激光器的增益动态。AM 组合的形成需要缓慢的增益，这可以通过向 QD 激光器的增益部分施加较低的注入电流来实现。调频梳形成则需要快速增益，以产生巨大的克尔非线性和四波混合。只需控制增益和可饱和吸收器的偏置，就能实现这一目标。克尔非线性工程有助于将 3-dB 光带宽大幅提高到 2.2 THz。作者：Bozhang Dong、Mario Dumont、Osama Terra、Heming Wang、Andrew Netherton 和 John E. Bowers

自 20 世纪 90 年代末激光频率梳问世以来，它彻底改变了频率和时间的精确测量。除了最初在光学时钟和精密光谱学中的应用之外，光频梳（OFC）在紫外线和红外线（IR）光谱学、遥感、光学频率合成和高速光通信等各种应用中都展现出了强大的潜力。

然而，调幅（AM）OFC 发出的强光脉冲不利于密集波分复用（DWDM）系统，因为该系统中部署了许多微波调制器。这是因为高瞬时功率的光脉冲会导致强烈的热非线性。

另一方面，宽带 OFC 的形成有赖于对波导的群速度色散（GVD）进行精心设计，这对于 GVD 主要由材料决定的平台来说具有挑战性。因此，必须改进 OFC 的系统尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C），才能在工业中使用 OFC。

在《光：科学与应用》上发表的一篇新论文中，由美国加州大学圣巴巴拉分校能源效率研究所的约翰-鲍尔斯（John Bowers）教授领导的科学家团队开发出了一种基于先进量子点（QD）激光器的频率调制（FM）梳。适当的激光腔设计使电信 O 波段的 3 分贝光带宽达到创纪录的 2.2 太赫兹。

信道间距高达 60 GHz，有利于消除数据传输中的信道串扰。更有趣的是，这种准连续波调频梳不会产生强光脉冲，这对集成 DWDM 系统十分有利。

利用 QD 激光器的优势，宽带调频梳可以从 1.35 毫米长、2.6 微米宽的激光腔中产生，同时壁插效率高达 12% 以上。与其他集成 OFC 技术相比，所报道的基于 QD 激光的调频梳具有更优越的 SWaP-C，这也是学术界和工业界都在追求的解决方案。

QD 的非凡材料特性使其成为前景广阔的调频梳生成平台。超快增益动力学允许巨型克尔非线性和四波混合，这使得 QD 激光器比传统的量子阱二极管激光器更适合在光通信波段产生调频梳。

重要的是，报告中介绍的这种方法使我们能够提高光带宽，而无需对波导色散进行精心设计。这一成就是通过克尔非线性工程实现的，而克尔非线性可以通过施加到激光器可饱和吸收器部分的电压进行简单控制。因此，这种方法减少了制造过程中的挑战。这些科学家这样评价他们在这项工作中取得的成就：

"这是思维的进化。第一台锁模激光器于 1963 年展示，此后取得了巨大进步。过去人们认为，由于调幅（AM）的特性，锁模激光器必须能产生强光脉冲。然而，我们证明了它并非必须如此。FM（频率调制）模式锁定激光器正在经历复兴。其本质是提供宽带、平顶频谱以及准连续波发射"。

"尽管在中红外量子级联激光器中展示了调频梳，但近红外 QD 模式锁定激光器的调频特性并未得到充分利用。他们补充说："我们正试图理解它，并将调频锁模激光器应用于数据中心的高速 PIC（光子集成电路）。

他们补充说："所提出的技术解决了 OFC 在 PIC 上遇到的问题，并且与成熟的 CMOS 工业兼容。我们的研究结果为改进用于 PIC 的调频锁模激光器提供了新的见解。这一突破可为下一代 PICs 的 5G/6G 通信、人工智能和自动驾驶开辟新的领域。
 

参考资料：Bozhang Dong et al, Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01225-z

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