近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）通過顯著降低基于氮化硅的集成光子波導的光損耗，實現重復頻率低至10GHz的集成式孤子微梳。氮化硅已經被用于CMOS微電子電路中，過去十年來，這種材料也被用于構建光子集成電路。研究成果發表在《自然-光子學》雜志。
研究背景
在信息社會，無線網絡、電信、雷達應用中無線電和微波信號的合成、分發和處理無處不在。目前的趨勢是使用更高頻段的載波，尤其是5G和物聯網等需求帶來的帶寬瓶頸迫在眉睫。“微波光電學”是微波工程和光電子學的結合，也許可以提供一個解決方案。
微波光電學的一個關鍵組成部分是光頻梳，可提供數百條等距和相干激光線。它們是以穩定的重復頻率發射的超短光脈沖，其頻率間隔與光梳線的頻率間隔精確對應。脈沖的光電探測產生了一個微波載波。
近年進展
近年來，在由連續波激光器驅動的非線性微諧振器制成的芯片級頻率梳方面取得了重大進展。這些頻率梳依賴于克爾耗散孤子形成，是在光學微諧振器內部循環的超短相干光脈沖。因此，這些頻率梳通常被稱為“孤子微梳”。
生成孤子微梳需要非線性微諧振器，而這些微諧振器可以利用CMOS納米制造技術進行制造。電子電路和激光器的集成為光梳微型化鋪平了道路，使其能夠在計量、光譜學和通信等領域得到大量應用。
研究成果
研究人員開發出一種新制造工藝—“氮化硅光子鑲嵌工藝”，制造出可在所有光電集成電路實現最低損耗的氮化硅波導，實現了低到足以讓光在直徑只有1微米的波導中傳播近1米的光損耗水平，1微米的波導比人的頭發小100倍，產生的相干孤子脈沖在微波K波段（～20GHz，用于5G）和X波段（～10GHz，用于雷達）都有重復頻率。
自評
研究人員表示，這個損耗水平仍然比光纖高出三個數量級以上，但代表了迄今為止所有用于集成非線性光子學的緊密約束波導中的最低損耗。EPFL微納米技術中心（CMi）的氮化硅納米光子芯片的制造負責人，論文的第一作者Junqiu Liu說：“這種工藝在使用深紫外步進式光刻技術進行時，能夠在低損耗方面提供真正卓越的性能，這是傳統的納米制造技術無法達到的。”
意義和應用
基于研究成果，產生的微波信號的相位噪聲特性與商用電子微波合成器相當，甚至更低。在微波重復頻率下的集成孤子微梳的演示，將集成光子學、非線性光學和微波光子學等領域聯系在一起。Junqiu Liu說：“這些微梳及其微波信號，將是構建完全集成的低噪聲微波振蕩器的關鍵，滿足未來雷達和信息網絡的架構的使用。”
EPFL團隊已與美國的合作者合作，開發出結合了芯片級半導體激光器的混合集成孤子微梳模塊。這些高度緊湊的微梳可以影響到許多應用，如數據中心的收發器、LiDAR、緊湊型光學原子鐘、光學相干斷層掃描、微波光子學和光譜學等。
