哈佛大學實現全集成寬帶微波頻率梳：突破光子學領域十年技術瓶頸

    光學頻率梳作為連接光學域與微波域的關鍵橋梁，其芯片級集成對于實現緊湊、可擴展且高能效的頻率梳光源具有重要意義，可廣泛支撐光頻合成、精密光譜分析及高速通信等前沿應用。然而，過去十年間，集成光頻梳領域始終面臨“間隔帶寬權衡”的根本性限制。近日，以哈佛大學為主要單位的研究團隊在《Light:Science&Applications》期刊發表重要成果，通過薄膜鈮酸鋰芯片的混合非線性效應，成功研制首例全集成寬帶微波頻率梳，一舉攻克這一長期技術難題。

    技術背景：集成光頻梳的固有局限

    當前，集成光頻梳的主流實現方案存在顯著性能短板：

    基于克爾效應的頻率梳（耗散克爾孤子，DKS）雖能實現倍頻程帶寬，但梳齒間隔通常超過100GHz，難以與電子系統兼容；

    基于電光效應（EO）的頻率梳雖可實現微波級（GHz）梳齒間隔，卻受限于窄帶寬，無法滿足寬譜應用需求。

    此前的混合方案（如電光脈沖泵浦微腔或克爾梳級聯電光調制）雖部分突破上述限制，但依賴分立元件，難以實現完全集成化，制約了系統小型化與穩定性提升。

    技術方案：混合克爾電光級聯架構的創新設計

    研究團隊在薄膜鈮酸鋰（TFLN）平臺上，創新性地協同利用克爾效應與電光效應，構建混合式頻率梳系統，具體包括三個核心環節：

    1.DKS生成層：采用Z切薄膜鈮酸鋰微腔，通過諧振增強的克爾效應產生寬帶耗散克爾孤子，初始梳齒間隔約410GHz，為系統提供寬譜基礎；

    2.EO調制層：利用X切薄膜鈮酸鋰相位調制器的超高效電光調制特性，將DKS梳齒間隔相干壓縮至29.308GHz，實現與微波系統的精準匹配；

    3.電子控制模塊：通過差頻技術實現DKS間隔的檢測與鎖相，將太赫茲級間隔轉換為電子可檢測的GHz級差頻信號，簡化穩頻流程。

    該架構通過Z切與X切薄膜鈮酸鋰的功能分工，實現了寬譜特性與微波級間隔的有機融合，且完全基于芯片級集成，無需依賴分立元件。

    性能指標：全維度突破現有技術邊界

    實驗結果表明，該全集成寬帶微波頻率梳的核心性能指標達到國際領先水平：

    其中，75.9THz的超寬帶寬覆蓋了從可見光到近紅外的廣闊光譜范圍，29.3GHz的梳齒間隔完美適配現有電子系統，為多場景應用提供了性能基礎。

    創新亮點：多維度突破技術瓶頸

    該研究的創新性體現在四個關鍵維度：

    材料創新：首次利用薄膜鈮酸鋰的雙切面特性（Z切與X切），突破單一材料的性能局限，實現寬譜生成與精準調控的功能互補；

    架構創新：通過DKS與EO調制的級聯設計，在集成平臺上首次解決“間隔帶寬矛盾”，為完全集成化提供了可行路徑；

    控制創新：提出太赫茲間隔到GHz差頻的轉換檢測方法，簡化電子穩頻系統設計，降低工程實現難度；

    應用創新：為芯片級太赫茲生成、多激光同步、原子鐘等領域提供了全新技術方案，拓展了集成光頻梳的應用邊界。

    應用前景：推動多領域技術升級

    該成果的產業化應用將對多個領域產生深遠影響：

    在光通信領域，超寬帶寬與微波級間隔的結合可支撐T比特級高速傳輸，提升光纖通信系統容量；

    在精密計量領域，芯片級穩定頻率梳有望推動光譜儀、原子鐘的小型化，應用于衛星導航、量子傳感等場景；

    在微波系統中，可實現毫米波與太赫茲波的高效合成，助力5G/6G通信、先進雷達等系統的性能躍升。

    綜上，哈佛大學團隊研制的全集成寬帶微波頻率梳，通過薄膜鈮酸鋰混合非線性效應突破了領域十年瓶頸，為下一代光頻計量與通信的芯片化發展奠定了重要基礎。