激光注入锁定与纳米光子学对电光频率梳的光谱转换

为感知世界带来更锐利的“彩虹”

现代许多最精确的时间、距离测量和原子性质探测工具，都依赖于一种特殊的激光“彩虹”——频率梳。这些梳由成千上万乃至数百万个均匀间隔的颜色构成，像是光学的超精细标尺。但要让这些标尺在多种有用波长上既明亮又洁净——从用于气体探测的红外到与原子相互作用的可见光——实际上非常困难。本文介绍了一种新方法，利用现成的激光二极管和微小的光导芯片来放大极弱的梳并将其移到新波长，从而可能使先进的光学测量更实用、更广泛可用。

微小激光标尺为何重要

频率梳使科学家能够比较差异极大的光波颜色，将光学信号与微波信号以极高精度连接起来。它们是光学原子钟、远程激光测距系统以及用于检测气体或探测脆弱量子与生物样本的高灵敏光谱仪的基础。一种常见的制梳方法是将单色激光通过电光调制器，这样原本的单色就被刻画成一系列均匀间隔的“齿”。然而，要在多种应用所需的波长上获得强且低噪的梳，需要功率强、噪声低的激光器、能承受大光功率的调制器，以及在每个波长上都可用的低噪放大器——这些组件在标准电信波段之外往往不存在或尚不成熟。

将微弱光变为强光的新途径

作者通过使用称为光学注入锁定的技巧并结合常见的法布里–珀罗（Fabry–Perot）激光二极管，解决了这一瓶颈。与其把微弱的频率梳送入传统的光放大器，他们用梳本身“种子”了廉价的二极管激光器。二极管随后将其输出锁定到输入的模式上，从而在输出端再现一个亮得多的梳。在780纳米（对原子物理很有用的波长）的实验中，单个二极管可被锁定到多达两百万个分布在2吉赫带宽内的梳齿，即使注入梳的总功率低至十亿分之一瓦。与商业半导体放大器相比，该方法在相同微弱输入功率下实现了超过100倍更好的信噪比，并能在输入功率低于同等质量所需功率的35倍以上的情况下达到相同性能。

实现宽带且灵活的频率梳

除了简单演示外，团队还证明了该方法适用于具有不同间隔与展宽的梳。他们测试了适合超高分辨光谱学的细间隔梳，以及通过用单一射频驱动强烈激励调制器而产生的更宽展宽梳，覆盖达数百吉赫的范围。在所有这些情况下，注入锁定的二极管都能再现梳的结构并大幅增强其强度，同时并未显著模糊各个梳齿。这意味着该方法既能支持细致的“放大”测量，也能用于更宽广的“全景”扫描，且都可使用相同的基本激光硬件。

用微小光路实现颜色转换

其中一大挑战是，在激光器和调制器稀缺的波长（例如适合原子或分子研究的某些可见波段）上产生强梳。为了解决这一问题，作者将他们的锁定方案与在氮化硅芯片上的纳米光子学光谱转换相结合。他们首先在电信波长（1560纳米）产生梳——在该波段组件丰富且成熟——并将其送入芯片上的微小环形谐振腔。环内的非线性光学过程将光转换为其二次谐波，约在780纳米处，形成新的梳——但伴随的功率非常有限，有时只有十亿分之一或万亿分之一瓦。通过利用这个被转换且极弱的梳去注入锁定一个780纳米的二极管，他们在每个梳齿可用功率低于皮瓦级时仍恢复出明亮、高质量的梳，并能在传统放大器无法工作的波长区域取得成功。

为实用光学传感器打开大门

通俗地说，这项工作展示了如何让廉价、紧凑的激光二极管复制微弱光学标尺的精细结构并在不模糊其标记的情况下放大它。结合能将梳从“容易”的电信波段转换到更专业色调的微型芯片，这一方法为在更大光谱范围内获得明亮、洁净的梳提供了灵活路径。反过来，这可以使先进的光谱仪和量子传感器更坚固、更小型，并更容易在专业实验室外部署——无论是用于监测温室气体、改进自动驾驶车辆的测距，还是读取用于探测自然基本定律的精密原子传感器。

引用: Roy Zektzer, Ashish Chanana, Xiyuan Lu, David A. Long, and Kartik Srinivasan, "Laser injection locking and nanophotonic spectral translation of electro-optic frequency combs," Optica 12, 1597-1605 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.566188

关键词: 电光频率梳, 光学注入锁定, 纳米光子学光谱转换, 氮化硅微环, 光学光谱学