摘要

近日，香港城市大学张科、孙文钊研究团队在《通讯-物理》期刊发文，报道了一种节能的宽带集成EO梳状发生器，可用于高速光通信，激光雷达，传感和 光谱应用。文中称集成电光 （EO） 频率梳是未来光通信、光检测和测距、光学计算、传感和光谱学应用的重要组成部分。迄今为止，宽带片上EO梳子通常在高质量因子微谐振器中产生，而更直接和灵活的非谐振方法，通常使用单个或级联EO相位调制器，通常需要高驱动功率才能实现相当强的调制指数。

在这里，他们通过多个低损耗模式多路复用器和波导交叉，将光信号通过调制电极总共4次往返，可以提高集成铌酸锂调制器的相位调制效率，从而将电功耗降低15倍。使用由晶圆级步进光刻工艺制造的器件，我们演示了一种宽带光学频率梳，该梳具有47条梳状线，重复频率为25 GHz，使用28 dBm（0.63 W）的中等射频（RF）驱动功率。利用重复频率和工作波长的可调性，我们的节能EO梳状发生器可以作为未来高速数据传输，传感和光谱以及经典和量子光学计算系统的紧凑型低成本解决方案。

介绍

光学频率梳 （OFC） 是具有离散、等间距的光学频率组件，是光通信、光检测和测距 （LiDAR）、光学计算、光学时钟和光谱学的出色构建模块。

LNOI光子平台允许更高效、更紧凑、更低成本的片上EO梳，并且可以覆盖整个电信L波段，超过900条线路。利用高质量因子（Q因子）、强大的微波-光场重叠和工程色散，可以多次生成EO梳，从而产生链和级联边带生成过程，进而产生宽带梳子跨度。然而，高RF功耗限制了它们的实际应用。双通EO相位调制器可以使用4.0 W30的RF功率在30 GHz下产生67条梳状线，基于模式复用的相位调制器可以在25 dBm39时产生15条梳状线。

在该文中，团队演示了一种高能效的基于 LNOI 的 EO 梳状发生器，该发生器使用 28 dBm 的中等射频驱动功率，以 25 GHz 的重复频率生成具有 47 条梳状线的宽带光频率梳。

结果

连续波 （CW） 泵浦光穿过相位调制区域进行第一次 EO 调制，然后环回并通过绝热TE0/TE1 模式多路复用器转换为二阶横向电模式 （TE1）。该TE1模式灯随后被引导回GSG传输线的底部调制区域。他们的循环波导设计采用GSG行波电极设计和工程材料堆栈，以实现25 GHz的微波光相位匹配。每次往返后的光信号被精确延迟，4次调制信号输出到右侧。绝热模式多路复用器、波导交叉和EO调制区域采用 基于晶圆级紫外（UV）步进光刻的工艺制造。

绝热模式多路复用器是多回路EO梳状发生器的关键使能组件。它是使用宽带和坚固的绝热耦合器设计实现的。绝热模式多路复用器基于550 m长的绝热耦合区域实现，其中分支1逐渐变窄，分支2沿光传播方向变宽，导致分支1中TE1模式的有效指数下降，分支2中TE0模式的有效指数增加n。为了评估绝热模式多路复用器的性能，他们使用与实际梳状发生器相同的制造方法制造了一个2 x 2级联结构，并测量了光学S参数。该器件在宽波长范围内具有 0.4 dB 的低光损耗和 >20 dB 的高消光比。

他们为多回路片上EO梳状发生器制造并测试了四种类型的相位调制器，包括单通相位调制器、双通相位调制器和四通相位调制器。图3b显示了使用上述四种类型的梳状发生器在24.95 GHz下以28 dBm（630 mW）的相同RF功率驱动的模拟和测量的EO梳状频谱。四通EO梳状发生器总共显示47条测量的梳状线。他们使用四个EO梳状发生器在不同RF驱动功率下实验生成具有相似跨度的梳子，并测量设备在不同RF驱动功率水平下生成的梳状频谱。他们的 I-TypeV 器件显示测量的功率降低为 11.7 dB（线性标度为 15），或调制指数增强因子为 3.9。他们 使用  具有  总 12 cm 长波导 的 多 程 EO 梳 发生 器 和 波导 交叉 和 模 复 用 器 等 结构 来 生成 具有 87 条 梳 线 的 EO 梳 ， 光 带宽 接近 20 nm。这产生了4 dB的总片上光损耗。

他们设计并制造了一种节能的EO梳状发生器，可以在广泛的射频和光学频率范围内高效运行。他们设备的直接测量电光S21响应表明，在测量的频率范围内，他们的仿真预测是一致的。

器件EO S21响应显示振荡行为是频率的函数，由于 相位调制器的固有带宽限制，最大可实现的EO S21值受缓慢滚落包络的限制。该器件具有较大的射频频率调谐范围。他们的 EO 梳状发生器可以在其他最大 EO 响应频率（包括接近 20 GHz 和 30 GHz）下高效运行，并且可以生成超过 45 条梳状线。它对波长不敏感，在整个实验期间支持稳定的无温度控制操作。

他们目前的器件片上光转换效率为39.8%，高于专门针对高光功率转换优化的基于双微环的EO梳状发生器（30%）27。光和电功耗与光插入损耗和RF相位调制电压长度乘积密切相关，在光损耗降低、输入功率增加的情况下，光和总功率转换效率分别提高到79.4%和39.7%。

结论

该团队开发了一种节能的宽带集成EO梳状发生器，可用于高速光通信，激光雷达，传感和 光谱应用。梳状发生器可以与幅度调制器进一步集成，以在低RF功率下实现平顶宽带EO梳。利用重复频率和工作波长的可调性，该节能EO梳状发生器可以作为未来高速数据传输，传感和光谱以及经典和量子光学计算系统的紧凑型低成本解决方案。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s42005-023-01137-9

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