频率梳作为将广泛电磁频段紧密连接的工具,因其在精密测量、光谱分析和超快光学研究中的独特作用,被视为现代光电技术的基石。然而,实现芯片级的多倍频宽频率梳一直是光子学领域的重大挑战,主要受限于传统方法对能量的高需求及其造成的效率瓶颈。随着纳米光子学的发展,尤其是在锂铌酸盐纳米结构上的突破,超低阈值的光学参量振荡器(OPO)应运而生,为超宽频率梳的产生提供了可能。多倍频频率梳的研发不仅开辟了科学实验的新视野,也为量子计算、光纤通信、环境监测等多领域技术的发展提供了坚实基础。传统的频率梳源依赖于复杂的外部激光系统和高能量驱动,制约了设备的小型化及集成化。采用纳米光子技术实现的光学参量振荡器,通过精确的色散工程和极低的泵浦能量要求,成功实现了涵盖数个频率倍增区间的频率梳输出,能耗降低至飞焦耳级别。
这种突破不仅显示了纳米尺度结构对光的强烈非线性响应,也极大提升了频率梳的相干性和稳定性。纳米光子参量振荡器的核心构件是基于周期性极化反转的锂铌酸盐波导结构,通过纳米加工工艺实现了宽带色散调控和模式匹配,极大地增强了光与物质的相互作用效率。光学参量振荡器利用三波混频效应将输入泵浦波转化为信号波和闲置波,实现能量的高效转换,同时产生覆盖多个倍频区间的光谱成分。纳米结构使得这种非线性过程的阈值大幅降低,同时保持了频率梳的宽度和相干特性。实现多倍频频率梳的关键在于色散工程和阈值能量的优化。通过调节锂铌酸盐纳米波导的几何尺寸和周期极化结构,可以精确控制不同波长的群速度色散,实现光脉冲的相干叠加和能量集中。
低阈值使得泵浦激光功率需求显著降低,减少系统体积与功耗,极大地方便了便携式和集成化应用。多倍频频率梳的频谱覆盖范围突破了传统技术局限,从可见光到中红外,实现了跨越数个八度频率的覆盖。这种广泛的频率覆盖使其在光谱学和多光子成像中表现出极大的应用潜力。例如,环境气体检测、医学生物标志物识别及工业材料分析都可借助这种多倍频宽光源实现高灵敏度和高分辨率的探测。得益于其高度相干性和稳定性,纳米光子参量振荡器生成的频率梳适合于精密光谱分析与计量标准的构建,提升了频率标准的便携性和精度水平。在超快科学领域,这种技术有望推动皮秒甚至飞秒脉冲的产生与调控,为时间分辨成像、动态过程监控提供前所未有的工具。
此外,频率梳的发展也正在促进光通信的革新。超宽带、相干度高的频率梳能够实现高速、多通道和超大容量的数据传输,在未来的光子集成电路和量子通信中具有重要地位。多倍频频率梳结合纳米光子学不仅佳化了能量效率,也促进了光子器件的微型化与集成化,为光子集成芯片的量产奠定了技术基础。未来,结合人工智能设计和逆向工程的纳米结构优化将进一步拓展频率梳的性能和应用边界。虽然纳米光子参量振荡器实现多倍频频率梳的技术取得显著进展,挑战依然存在,包括材料损耗控制、制造工艺一致性及热稳定性等问题需持续攻关。跨学科合作与新材料研发将是推动该领域继续突破的关键。
此外,开发兼容 CMOS 工艺的集成方案,将极大推动多倍频宽频率梳的产业化进程。综上所述,基于纳米光子学的超低阈值光学参量振荡器实现多倍频频率梳,开创了光源技术的新纪元。其高效、宽带、相干的特性不仅满足了多领域对超宽频谱光源的需求,也促进了集成光子技术向更高性能、低功耗方向的发展。未来,随着技术的成熟和应用的拓展,这一领域将迎来更多创新与变革,推动新一代光电技术的飞跃。 。
