【光学前沿】北京大学王教授团队在集成微腔色散设计领域取得新进展

    在信息技术飞速发展的今天，电子芯片在计算速度和功耗方面遭遇了前所未有的挑战。面对这一困境，光子集成芯片以其高速率、大带宽、低功耗和高密度集成等优势，成为突破传统集成电路物理极限的关键技术，尤其在人工智能、万物互联、云计算等领域对高速率、大容量信息处理的需求日益迫切。

    一、光子集成芯片与微腔光梳技术
    光子集成芯片的核心之一是微腔光梳技术，它能够在频域上产生等频率间隔的多波长激光，在时域上表现为周期性光脉冲。这种独特的时频特性为计量学、精密传感等领域带来了突破性变革。随着基于集成光学微腔内光学非线性的集成微腔光梳技术的兴起，如何通过参数设计得到符合应用需求的光学频率梳，尤其是基于集成微腔色散设计的光梳状态调控，成为了研究的热点。

    二、色散对微腔光梳状态的影响
    微腔光梳的产生依赖于微腔内谐振模式间的增益与损耗，以及非线性与色散的平衡。色散，即微腔材料与结构导致的群折射率关于光波长的响应，直接影响了腔内支持的锁模脉冲，即锁模微腔光梳的时域与频域特性。通过对微腔谐振频率的多项式展开，可以得到不同阶次的色散系数，这些系数对微腔光梳的产生和特性有着决定性的影响。

    三、基于波导结构的色散调控
    在集成平台上，一般使用闭合波导组成微腔。通过对波导结构的参数调节，如波导的宽度、高度、材料组成，可以实现对色散的调控。例如，在集成氮化硅平台上，通过调节波导宽度可以使波导工作在反常色散区。此外，渐变波导宽度等方法也可以实现对腔体整体色散的调节。

    四、基于光子晶体结构的色散调控
    光子晶体环因其在微腔内壁刻蚀周期性结构而受到关注。这种结构在满足布拉格条件的波长处，微腔内正向与反向的光场间发生耦合，导致谐振峰劈裂，从而产生局部色散改变。这种设计可以实现灵活的色散设计，但对加工工艺提出了较高要求。

    五、基于耦合环系统的色散调控
    除了单个环内正反向光场间耦合外，还可以通过控制两个环间的光场耦合引入谐振峰劈裂，实现色散调控。这种色散改变机制已经被用于实现高转换效率亮孤子光梳与暗脉冲光梳的自激发等功能。

    尽管当前色散调控机制存在一定的局限性，但先进的色散调控技术已经能够支撑面向低噪微波信号、光钟、大容量光通信、微波光子、光计算等应用需求。未来，实现工艺友好的、高自由度的、简易的、可调谐的色散调节技术仍待进一步探索研究。