微梳技术的跨学科进展：连接物理与信息技术

2025-02-14 Fri
微梳技术的跨学科进展：连接物理与信息技术的桥梁学术背景光学频率梳（Optical Frequency Comb, OFC）是一种能够将光频域分割为一系列离散且等间距频率线的技术，广泛应用于精密测量、光通信、原子钟和量子信息等领域。然而，传统频率梳设备通常体积庞大且复杂，难以满足现代科学和技术对便携性和集成化的需求。近年来，微梳（Microcomb）技术因其紧凑性、高效率和多功能性而备受关注。微梳基于光学微腔中的非线性效应生成，能够在芯片级实现频率梳的功能，从而为多个领域带来革命性变化。
尽管微梳技术已取得显著进展，但其在材料选择、生成机制、功能优化以及实际应用中的潜力仍需进一步探索。为了系统总结微梳技术的最新进展并展望其未来发展方向，本文作者撰写了一篇综述文章，旨在从物理原理到实际应用全面探讨微梳技术的跨学科前沿。
论文来源这篇综述文章由 Bai-Cheng Yao 和 Wen-Ting Wang 共同第一作者撰写，并由 Chee Wei Wong 和 Bai-Cheng Yao 作为通讯作者。作者分别来自以下机构：
- 中国电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室（Key Laboratory of Optical Fibre Sensing and Communications, University of Electronic Science and Technology of China）
- 中国科学院雄安创新研究院通信与集成光子学实验室（Communication and Integrated Photonics Laboratory, Xiong’an Institute of Innovation, Chinese Academy of Sciences）
- 南京大学固体微结构国家重点实验室及电子科学与工程学院（National Laboratory of Solid State Microstructures and School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University）
- 加州大学洛杉矶分校方卢介观光学与量子电子学实验室（Fang Lu Mesoscopic Optics and Quantum Electronics Laboratory, University of California, Los Angeles）
该论文于2024年发表在开放获取期刊 eLight 上，DOI为 10.1186/s43593-024-00071-9。
主要内容1. 微梳生成与功能化的最新进展材料平台微梳技术的核心在于光学微腔的设计与制造，而材料的选择直接影响其性能。作者详细讨论了多种材料及其在微梳生成中的应用：
- 二氧化硅 (SiO₂)：具有宽透明窗口和低损耗特性，但需要高输入功率或高Q因子来补偿较低的非线性系数。
- 氟化物（如MgF₂）：具备极低光学损耗和超高质量因子（Q > 10⁸），适用于高效频率梳生成。
- 氮化硅 (Si₃N₄)：兼具高非线性系数和CMOS兼容性，是当前最常用的芯片级微腔材料之一。
- 氮化铝 (AlN)：以其高热导率和压电可调性著称，特别适合动态反馈控制。
- 铌酸锂 (LiNbO₃)：由于其二阶和三阶非线性效应显著，成为宽带频率梳生成的理想候选材料。
此外，新兴材料如碳化硅、二维材料和卤化钙钛矿也显示出巨大潜力。
生成方法微梳的生成依赖于非线性光学效应，主要包括以下几种机制：
- 克尔效应：通过腔增强四波混频（FWM）过程生成宽带频率梳。
- 激光增益：利用具有增益特性的材料直接生成频率梳。
- 电光调制：通过外部调制器驱动微腔生成频率梳。
- 多效应耦合：结合多种非线性效应（如拉曼散射和布里渊散射）实现更复杂的频率梳生成。
每种方法都有其独特优势，例如克尔效应微梳可通过辅助激光加热策略实现稳定生成，而电光调制方法则提供了灵活可控的梳齿间隔。
功能优化为了提升微梳的性能，研究人员开发了多种功能优化策略：
- 带宽扩展：通过色散管理或引入辅助泵浦激光实现谱宽扩展。
- 效率提升：采用暗脉冲锁模或双腔耦合回收泵浦能量以提高转换效率。
- 动态调控：利用电光效应、机械应力或温度控制调节微梳的重复频率、谱范围和其他参数。
这些优化手段不仅提高了微梳的性能，还为其在不同领域的应用奠定了基础。
2. 微梳在信息科学中的应用信号生成与同步微梳作为一种高效的电磁波振荡源，可用于生成毫米波至太赫兹波段的连续波信号。结合光学分频（OFD）技术，微梳能够实现超低噪声微波信号的生成，为通信和雷达导航系统提供支持。
数据传输微梳在光通信中展现出巨大潜力，尤其是在波分复用（WDM）系统中。通过生成数百个稳定的载波通道，微梳可以大幅提高数据传输容量。例如，已有研究实现了超过50 Tbit/s的数据传输速率，同时保持误码率低于10⁻³。
量子信息处理微梳作为量子光源，可用于生成纠缠光子对或多波长量子态。基于铌酸锂微腔的研究表明，微梳能够生成高质量的纠缠光子源，为量子密钥分发和量子网络建设提供了新工具。
3. 微梳在信息采集中的应用光谱分析双频率梳光谱（Dual-Comb Spectroscopy, DCS）利用两个略微不同的频率梳进行干涉测量，无需笨重的机械光谱仪即可实现实时检测。微梳的小型化和高相干性使其成为DCS的理想选择，已在气体传感和分子识别中取得突破。
激光雷达与成像微梳技术在激光雷达（LiDAR）领域同样表现出色。通过飞行时间（ToF）或频率调制连续波（FMCW）方法，微梳可以实现快速、精确的三维距离测量，为自动驾驶和遥感提供支持。
研究意义与价值本文全面总结了微梳技术的最新进展，从材料平台到生成机制，再到功能优化和实际应用，展示了其在信息科学中的广阔前景。微梳不仅推动了经典与量子信息科学的发展，还为精密测量、通信技术和环境监测等领域带来了新的可能性。未来，随着材料工程和集成技术的进步，微梳有望从实验室走向大规模商业化应用，成为下一代信息技术的重要基石。
研究亮点跨学科融合：微梳技术连接了物理学、材料科学和信息技术等多个领域，体现了科学研究的协同效应。
技术创新：新型材料和生成方法的引入显著提升了微梳的性能。
广泛应用：从通信到量子计算，微梳的应用场景不断拓展，彰显其多功能性。
这篇文章为微梳技术的未来发展指明了方向，同时也为相关领域的研究人员提供了宝贵的参考资源。