来源：
Photonics Insights2024年第4期文章：
论文信息：
Haowen Shu, Bitao Shen, Huajin Chang, Junhao Han, Jiong Xiao, Xingjun Wang. Microcomb technology: from principles to applications [J]. Photonics Insights, 2024, 3(4): R09
导读
作为芯片级信息革命的核心引擎，微腔光梳由于其并行化、轻量化的特点，在芯片尺度上展现出令人瞩目的丰富现象和功能应用。近期，北京大学电子学院光子传输与通信全国重点实验室的王兴军教授团队应邀撰写了题为“Microcomb technology :from principles to applications”的综述论文，并发表于Photonics Insights2024年第4期。
该综述全面系统地总结了近年来集成微腔光梳技术的最新研究进展，重点介绍了其物理机制、产生与调控方法、材料体系与加工特色，并详细介绍了其诸多潜在应用方向，尤其是近年来与集成光学技术在信息系统方面的融合应用，并对领域未来的发展方向进行了展望。这篇文章不仅为读者绘制了一幅完整的图景，更为相关领域的研究者和初学者提供了宝贵的参考资料。
一 微腔光梳产生的物理机制
“光梳”的概念最早起源于针对锁模激光器的研究中，之后则被扩展到具有多个频率成分且各频率成分间隔相等的宽谱光源。传统的光梳产生往往依赖于大型、分立、复杂的锁模激光器，研究人员在21世纪初提出可以利用片上微腔来产生微腔光频梳。直到2014年，研究者成功在微腔中观察到了锁模状态的光梳，极大推动了微腔光梳的发展与应用。
图1 微腔光梳的近20年发展历程
集成微腔光梳的产生机制依赖于高Q因子光学微腔的泵浦激光扫频激发。当泵浦光频率与微腔谐振模的本征频率匹配时，腔内三阶非线性效应将主导参量振荡过程，从而在频域上形成等间距相干光频梳。通过调节泵浦功率与扫频速率，光梳动力学状态呈现多稳态演化特性：从初级调制不稳定性产生的连续波背景，经时空混沌态过渡，最终在非线性增益-损耗平衡与色散-非线性相移匹配条件下，锁定为时域单孤子脉冲。
值得注意的是，微腔内最终呈现的光梳状态取决于腔体本身的色散设计，其产生与腔内色散，泵浦条件和复杂非线性效应强烈相关，为了仿真分析微腔光梳的演化过程，主要的理论手段包括耦合模方程，Ikeda map以及LLE方程。前者需要复杂的模式耦合分析，对计算量需求大，而后两者都是基于非线性薛定谔方程，实现对非线性过程的简化计算。
在产生方面，由于在扫频过程中腔内功率存在急剧变化，考虑到热光效应的影响，在实验上往往难以观察到单孤子态的产生，研究人员为了增强产生过程的稳定性，还提出了快速扫频、脉冲泵浦、辅助光热平衡、自注入锁定等产生方式。它们在鲁棒性、复杂度以及集成度上各有优劣（如表1所示）。这些方法的出现使得微腔光梳更容易被获取，推广了其应用范围。
表1 锁模微腔光梳的不同激发方式汇总
二 微腔光梳的材料平台体系和加工特色
为了扩展微腔光梳的覆盖波段、同时改善器件的非线性效应以提升光梳的性能，各种各样的材料平台被用于产生光梳，如图2所示。就材料本身特性而言，研究人员最关注的是其非线性系数、光吸收率和折射率，可以通过选择合适的材料并优化器件的结构设计可以达到改善能量效率、频谱带宽、相干性和光学稳定性的目的。
图2 基于不同材料平台的不同谐振腔的光梳波长范围和 Q 因子
高Q值的微腔对于光梳的产生至关重要，因此，该综述重点介绍了四种高Q微腔的制造加工手段。首先是晶体微腔的加工，包含剪切和抛光；其次是熔化和凝固工艺，借助液体表面张力实现腔面平滑化；然后是单片工艺，将薄膜直接沉积到衬底上；最后是键合工艺，将预先制备的薄膜键合到目标芯片上。
为了真正实现纯片上集成系统，混合集成与异质集成方法被提出。对于混合集成，常用的手段包括将泵浦激光器芯片与微腔芯片共封装、微透镜辅助耦合以及光子线键合等，尽管有效，但仍成本高昂且耗时。
异质集成将不同材料系统的器件集成到同一衬底上，成功实现了单片上的微腔光梳产生。相较而言，微转移印刷则以更高材料利用率降低成本，但输出功率不足。此外，量子点材料的发展为直接生长激光器提供了可能性，但在微腔光梳生成中的应用尚未实现。
三 性能设计与优化
为了面向各种不同的应用场景，微腔光梳的频谱范围和频谱形状尤为重要。频谱形状取决于腔体的色散设计，例如反常色散腔产生亮孤子态光梳，正常色散腔产生暗孤子态光梳，还有一些其他色散情况产生的光梳，如图3所示。
图3 不同色散条件下的微腔光梳
因此，色散工程是微腔光梳领域科研工作者长期研究的主题。早期研究主要通过调节波导结构（如波导的高度和宽度）来进行色散工程。而后为了实现灵活的色散设计，模式间相互作用被用于色散调控。类似地，耦合环结构也可用于色散工程。近年来，光子晶体微环通过利用腔内光栅实现前向后向场的耦合，从而实现灵活的色散设计。
除了色散工程，光梳的能量转换效率也是研究的重点。与暗孤子相比，亮孤子由于连续泵浦波与孤子脉冲功率重叠较低，其能量转换效率通常仅为1%左右。因此，使用脉冲泵浦可以实现较高的转换效率。更进一步地，由于大部分泵浦功率与共振不匹配，研究人员提出了泵浦回收或再注入微腔以提高效率的方法，理论上能实现98%的能量转换效率。最近，关于新孤子动力学的研究促进了高转换效率的孤子微腔光梳的生成，例如利用混合腔产生光梳等。
腔内噪声也是影响光梳性能的重要部分，其主要来源包括技术噪声、泵浦激光噪声、热噪声和量子噪声，它对光梳的影响可以归结为强度噪声和相位噪声。为了抑制泵浦激光噪声，可以利用锁定方案，也可以使用带反馈环路的功率控制装置，采用自注入锁定方法也能在简易的系统设置下显著改善光梳的相位噪声。同时，通过减少热噪声来增强相干性也是可行的，例如使用辅助光热平衡法来降低有效温度以减小热光系数或采用正负热光系数的复合波导结构等。此外，还能利用微腔光梳的特性来抑制相位噪声，通过合适设计，使拉曼效应和色散波效应导致的频率偏移完全抵消，系统达到“安静点”工作状态，从而大幅降低相位噪声。同样，利用光梳的克尔诱导同步机制也能大幅抑制梳线的相位噪声。
四 微腔光梳的芯片化系统级应用
微腔光梳的应用可以体现在多个领域。在高精度计量和传感领域，微腔光梳以其稳定的梳齿间距和包络偏移频率可被用作光频率尺，为光钟提供跨光-微波频谱的稳定链接。同时，它也被广泛用于光谱学中的分子指纹测量，直接频梳光谱（DFCS）和双梳光谱（DCS）技术提升了频谱覆盖和探测效率。在激光雷达技术中，微腔光梳增强了ToF和FMCW雷达精度，支持高分辨率和快速采样，适用于动态环境。基于微腔光梳的光学断层扫描（OCT）光源减小了深度灵敏度下降问题，提升成像分辨率和动态范围，有助于便携医疗设备开发。同时，微腔光梳也可用作天文光谱仪的校准工具。
在并行数据传输和信号处理领域，微腔光梳可用作一种稳定的多波长光源，与现代通信的密集波分复用技术完美结合，以其高频率稳定性，减少信道间干扰，提升频谱效率。同时，在光计算应用中，微腔光梳利用波长的正交性作为矩阵元素，可大幅减少功耗和系统复杂性，具有高并行性。微腔光梳在微波光子学中应用广泛，主要体现在低噪声微波生成和多抽头信号处理。
虽然微腔光梳技术在应用方面取得了显著进展，但大多数系统级的演示仍依赖于大量体积庞大的组件。为了进一步提升系统的集成度，一种可行的方案是结合集成光电子技术，实现大规模并行光电子信息系统的片上化。
目前，大量集成微腔光梳的并行集成系统被报道[1-5]，成为集成光学系统研究一大热点，包括高速片上光电I/O接口、大容量片上数据链路、集成光学均衡、多抽头微波光子系统以及片上光子卷积计算等，上述实验展示为实现更大规模的片上信息网络提供了紧凑简易的扩展方法，有效推动了微腔光梳的片上系统级集成发展。
五 总结与展望
该综述详细地说明了微腔光梳产生的物理学机制，全面地归纳了微腔光梳的材料平台体系和加工特色，系统性地阐述了有关微腔光梳的性能设计与优化，并在最后对微腔光梳的系统级应用进行了回顾与展望。该团队认为，集成光电子技术与微腔光梳的结合将进一步带来多功能、高并行片上光电子信息系统的新一轮革命，随着相关领域的不断发展，期待更多新颖的复杂光电子系统借助于微腔光梳集成化方案走向芯片尺度，推动未来光电子技术的革新。
参考文献：
[1] H. Shu et al., “Microcomb-driven silicon photonic systems,” Nature 605, 457 (2022).
[2] R. Chen et al., “Breaking the temporal and frequency congestion of LiDAR by parallel chaos,” Nat. Photonics 17, 306 (2023).
[3] B. Shen et al., “Harnessing microcomb-based parallel chaos for random number generation and optical decision making,” Nat. Commun. 14, 4592 (2023).
[4] B. Bai et al., “Microcomb-based integrated photonic processing unit,” Nat. Commun. 14, 66 (2023).
[5] X. Zhang et al., “High-coherence parallelization in integrated photonics,” Nat. Commun. 15, 7892 (2024).
通讯/重要贡献作者简介
通讯作者：王兴军，北京大学博雅特聘教授、博士生导师、电子学院副院长、教育部长江学者特聘教授、教育部纳光电子前沿科学中心副主任、国务院学科评议组成员、美国光学学会会士（Optica Fellow）。长期从事硅基光电子学的基础理论、器件与芯片制备及其系统应用等方面的研究。作为负责人主持科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金重大仪器项目、国家自然科学基金重点项目（2项）等十余项国家级项目。以第一/通信作者在Nature、Nature Photonics、Nature Communications（5篇）、Science Advances、Photonics Insights 等期刊发表论文200余篇，在OFC、CLEO等行业学术会议发表论文30余篇，SCI他引3600余次，获发明专利授权40余项，做OFC、CLEO、OECC、ACP等国际会议邀请报告50余次。代表性成果入选2013、2016、2021 ACP PDP论文、2022 OFC PDP论文、2024 CLEO Highlighted论文、中国十大科技创新奖、中国光学十大进展、中国信息通信领域十大科技进展、中国光学十大社会影响力事件、中国芯片科学十大进展等奖项。
通讯作者：舒浩文，北京大学博雅青年学者、博士生导师。博士毕业于北京大学，入选“博士后创新人才支持计划”，国家重点研发计划青年项目负责人，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究领域为硅基集成光电子信息系统，包括器件性能优化与系统架构设计等，应用方向为数据中心通信、微波/毫米波光子信号处理、高性能传感与计算等。曾获第七届中国光学工程学会创新论文奖，北京大学优秀博士后，入选中国微波光子学学术新星，中国光学工程学会PhotoniX Prize。
第一作者：沈碧涛，北京大学博士后研究员。博士毕业于北京大学，入选2024年“博士后创新人才支持计划”。主要研究方向为集成微腔光梳及其系统应用。曾入选2024年度中国电子学会博士学位论文激励计划，获北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生、2024年度厉鼎毅纪念奖学金等。
科学编辑 | 北京大学 舒浩文
编辑 | 方紫璇
