芯片級(jí)孤子微梳實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)精度突破
激光頻率梳是一種能在光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻間隔、尖銳譜線的光源，其形態(tài)類似梳齒結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)為時(shí)間和頻率測(cè)量提供了精密標(biāo)尺，已成為激光雷達(dá)、高速光通信和空間導(dǎo)航等領(lǐng)域的核心工具。傳統(tǒng)頻率梳依賴大型實(shí)驗(yàn)室激光系統(tǒng)，而最新研發(fā)的芯片級(jí)孤子微梳技術(shù)通過(guò)在微環(huán)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生超短光脈沖，實(shí)現(xiàn)了革命性突破。 ;^Hg\a
該技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是時(shí)間抖動(dòng)問題——即光脈沖時(shí)序的微小波動(dòng)。這種由環(huán)境噪聲或系統(tǒng)內(nèi)部不穩(wěn)定引起的波動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響依賴精確計(jì)時(shí)的系統(tǒng)性能。例如在激光雷達(dá)中，抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)距精度下降；在高速數(shù)據(jù)傳輸中則會(huì)引起信號(hào)失真，降低數(shù)據(jù)完整性。 ` '
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據(jù)《Advanced Photonics Nexus》報(bào)道，國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)開發(fā)基于色散管理氮化硅（Si3N4）微環(huán)諧振腔的新型平臺(tái)（工作重復(fù)頻率89 GHz），成功攻克了這一難題。該平臺(tái)的核心創(chuàng)新在于有效抑制了傳統(tǒng)恒色散系統(tǒng)中難以避免的模式交叉干擾（AMX）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)諧振腔色散特性的精確調(diào)控，顯著提升了信號(hào)穩(wěn)定性。 [W{WfJ-HwG
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基于色散管理氮化硅微諧振器的新平臺(tái)以 89 GHz 的重復(fù)頻率運(yùn)行。插圖顯示了環(huán)形微諧振器的 SEM 圖像，以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和耦合間隙的放大視圖。 nFY6K%[
在器件制備方面，研究團(tuán)隊(duì)首先在硅襯底上沉積3微米厚二氧化硅（SiO2）層，隨后通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積形成800納米氮化硅層。采用248納米深紫外光刻技術(shù)將該層加工成環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行氧化層封裝。研究測(cè)試了單孤子、多孤子及孤子晶體等不同工作狀態(tài)，借助高靈敏度干涉測(cè)量法將時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量精度推進(jìn)至仄秒量級(jí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，單孤子狀態(tài)展現(xiàn)出最優(yōu)性能：相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）達(dá)-153.2 dB/Hz，在10 kHz-1 MHz頻段內(nèi)時(shí)間抖動(dòng)低至1.7飛秒；即便在更寬的10 kHz-44.5 GHz奈奎斯特頻段內(nèi)，累積抖動(dòng)也僅32.3飛秒。 ^J{tOxO=l
該色散管理設(shè)計(jì)同時(shí)穩(wěn)定了微梳中心頻率，有效避免了頻率漂移引發(fā)的附加抖動(dòng)。盡管不同孤子狀態(tài)間存在細(xì)微差異，但整體性能表現(xiàn)極為穩(wěn)定。"這是色散管理微梳首次實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)時(shí)間抖動(dòng)控制"，通訊作者劉文正強(qiáng)調(diào)指出。 H| i39XV
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)低頻噪聲主要來(lái)源于腔體內(nèi)功率波動(dòng)，這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)性能提升指明方向——時(shí)間抖動(dòng)有望突破亞飛秒極限。加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院Chee Wei Wong教授補(bǔ)充道："低頻段主要噪聲源自有效腔長(zhǎng)波動(dòng)，而色散管理微梳中心頻率位移可忽略的特性有效阻斷了相關(guān)噪聲轉(zhuǎn)換機(jī)制。后續(xù)研究將深入探討高階色散對(duì)噪聲耦合的影響。" +9d]([Lx
這項(xiàng)在緊湊型集成平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)時(shí)間抖動(dòng)的突破性成果，為芯片級(jí)孤子技術(shù)設(shè)立了新基準(zhǔn)。該進(jìn)展為空間導(dǎo)航、超快數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和量子測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用開辟了新前景。 60r4%> d
相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1117/1.APN.4.3.036011
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