片上光学频率梳：可产生光子微波，应用于卫星通信和5G网络！
最后更新：2020-04-23 11:29:42 手机定位技术交流文章
介绍
根据位于洛桑(EPFL)的瑞士联邦理工学院官方网站最近的一份报告，该校的科学家展示了一种基于激光的微波发生器，该发生器使用了该校制造的光子芯片。这些微波信号及其光载波将来可以用于雷达、卫星通信和5G无线网络。
随着物联网和车联网等新技术的不断发展，越来越多的手机、汽车等物品加入了无线通信网络。据估计，到2025年，大约750亿台物联网设备将影响我们生活的方方面面。
需要无线通信的设备数量日益增加，但无线频谱资源有限。在有限的可用带宽上，当多个无线通信设备同时传输数据时，它们将争夺空，造成严重的网络拥塞，这也被称为“频谱危机”。目前，科学家应对这一危机的有效方法包括:向更高频段发展，科学规划频谱资源，提高频谱资源的利用效率，采用逐渐成熟的动态频谱分配方法，其中高频载波的使用是目前的重要趋势之一。
自20世纪70年代以来，随着光学和微波技术的蓬勃发展，如半导体激光器、高速光电调制器探测器、集成光学、光纤、微波天线、微波单片集成电路等。结合微波和光学的优点，一个新的交叉领域出现了，一个新的学科形成了:微波光子学。希望能为上述问题提供解决方案。
微波光子学的一个关键组成部分是“光频梳”。光频梳是一种特殊的激光光源，其光谱由一系列离散的等距谱线组成。这些谱线的分布，就像我们日常生活中的梳子一样，在梳齿之间保持相同的距离。这些具有稳定重复频率的超短光脉冲恰好对应于梳齿线的频率间隔。脉冲的光电探测产生微波载波。
光学频率梳的光谱(图像来源:维基百科)
近年来，由连续波激光器驱动的非线性微谐振器产生的芯片级频率梳取得了显著进展。这些频率梳依赖于耗散克尔孤子的形成。这些克尔孤子是在光学微谐振器中循环的超短相干光脉冲。因此，这些频率梳通常被称为“孤立子微梳”。
如下图所示，光孤子频率梳可以通过多个通道大规模并行传输数据。
(照片来源:凯末尔/马林-帕洛莫/基特)
需要非线性微谐振器来产生孤子梳。这些微谐振器可以使用CMOS纳米制造技术直接在芯片上制造。电子电路和集成激光器的集成提供了一种使频率梳小型化的方法，并在计量学、光谱学、通信和其他领域开辟了大量的应用。
氮化硅微谐振器(照片来源:EPFL布拉施/LPQM)
最近，在托比亚斯·基彭伯格的领导下，洛桑瑞士联邦理工学院的一个研究小组在《自然光子学》杂志上发表了一篇论文，展示了脉冲重复频率低至10千兆赫的集成孤子梳。这是通过显著降低基于氮化硅的集成光子波导的光损耗来实现的。氮化硅是一种已经在CMOS微电子电路中使用的材料，并且在过去十年中也已经被用于构建在芯片上引导激光的光子集成电路。
用于频率梳和光子微波产生的氮化硅光子芯片照片。(照片来源:刘，何，)
科学家已经能够生产出在任何光子集成电路中损耗最低的氮化硅波导。由这种技术产生的相干孤子脉冲在微波K波段(5G约20GHz)和X波段(雷达约10GHz)有重复频率。
产生的微波信号具有与商用电子微波合成器相同或更低的相位噪声特性。微波重复频率上展示的集成孤子梳连接了集成光子学、非线性光学和微波光子学领域。
洛桑瑞士联邦理工学院的团队实现了足够低的光损耗，使得光可以在直径只有1微米或者比头发薄100倍的波导中传播近1米。尽管这一损耗水平仍比光纤中的损耗水平高三个数量级，但它代表了迄今为止严格限于集成非线性光子学的任何波导中的最低损耗。
如此低的损耗是因为洛桑瑞士联邦理工学院的科学家开发了一种新的制造工艺，即“氮化硅光子大马士革镶嵌工艺”。该论文的第一作者、瑞士洛桑联邦理工学院微纳技术中心(CMi)氮化硅制造负责人邱军·刘(音译)说:“采用深紫外光刻技术进行这种加工时，在低损耗方面确实有惊人的表现，而传统的纳米制造技术却无法实现。这些微型梳及其微波信号是为未来雷达和信息网络架构构建完全集成的低噪声微波发生器的关键要素。”
洛桑的瑞士联邦理工学院团队与美国的合作伙伴合作开发了一种混合集成孤子微梳模块，该模块结合了芯片级半导体激光器。这些高度紧凑的梳子可以影响许多应用，如数据中心的收发器、激光雷达、紧凑型光学原子钟、光学相干断层扫描、微波光子学和光谱学。
关键字
频率梳、原子钟、光谱学
参考材料
【1】邱军·刘，欧文·卢卡斯，·拉贾，·何，约翰·黎曼伯格，芮·，马克西姆·卡波夫，郭海润，罗曼·布钱德，托比亚斯·基彭伯格。利用集成孤子微柱在X波段和K波段产生光子微波。自然光子学，2020；DOI:10.1038/s 11566-020-0617-x
【2】https://actu . epfl . ch/news/光子-微波-生成-片上使用-optica/
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