High-power ultrabroadband electro-optic frequency combs in thin-film lithium niobate

光与电是现代世界的双引擎，然而它们却使用不同的语言。光在光纤电缆中疾驰，承载着互联网的海量数据流；而电在铜线中移动速度相对较慢，控制着计算机和传感器的时序与逻辑。如何高效地连接这两个领域是物理学中的一个基本挑战。科学家们长期以来一直寻求一种方法，能够将微波信号——即驱动我们技术的快速电脉冲——直接转换为光，并反向转换，且不丢失信息或浪费能量。这种转换是实现更快速通信、超精密传感器以及新兴的量子网络领域的关键，在量子网络中，脆弱的量子态需要被传输到远距离。完成这项工作的理想工具是一种能够接收稳定光束并将其切割成精确、重复脉冲模式的设备，从而创造出一种“频率梳”。可以将这种梳子想象成一把光的尺子，拥有数千条间距均匀的谱线，能够以惊人的精度测量时间和频率。

多年来，研究人员一直试图在微型计算机芯片上构建这些频率梳，但他们面临着一个顽固的权衡问题。为了产生强信号，光和微波电需要在芯片内部共同传输很长一段距离。然而，随着它们的移动，微波信号会自然衰减，而光会被材料吸收或散射。如果芯片太短，信号就会很弱；如果芯片太长，信号会在发挥任何作用之前就消亡。这种局限性使得高性能光梳无法应用于许多实际场景，迫使工程师在短而弱的信号或长而低效的信号之间做出选择。

加州大学伯克利分校的一个研究团队现在通过创造一种新型芯片打破了这一障碍，该芯片允许光与电以空前的距离进行相互作用。他们使用了一种被称为薄膜铌酸锂（thin-film lithium niobate）的材料，这种材料以其快速操控光的能力而闻名，他们据此构建了一个引导微波信号和光束共同行进总有效长度达36厘米的器件。为了将如此长的路径缩减到微小的芯片上，他们并没有简单地拉长器件，而是让光路在同一个电场中多次折返。这种对路径的巧妙回收利用，使得光可以在不需要数米长芯片的情况下，积累大量的变化。其结果是，该器件可以将单色的激光转化为一个包含550多条不同谱线的宽光谱，且所有谱线间距完全均匀。

这项成就的意义在于过程的高效性。在以往的尝试中，创造如此宽广且强大的光谱需要消耗大量能量，导致大部分光都损失在了热量或吸收中。在这种新设计中，研究人员实现了极高的转换效率：77%的输入激光功率被成功转化为新的光梳。更令人印象深刻的是，当他们优化器件以创建一个平坦、均匀的光谱时，他们仍然能实现32%的功率转换，产生187毫瓦的总输出。这是一个巨大的飞跃，其产生的功率比以往最好的系统还要高出十倍以上。该器件的工作电压极低，仅需不到1.5伏即可高速运行，这使其能够与标准电子电路兼容。

研究人员证明，这项技术可以在用于电信的S、C和L波段广泛的颜色范围内工作。通过结合三种不同的激光输入，他们将总覆盖范围扩展到了光学光谱的广阔区域。该器件的稳定性和精确性意味着，谱线之间的间距完全由驱动它的微波信号决定，从而实现了其他方法难以实现的精确控制。这种水平的控制力和功率为传感和通信开辟了新的可能性。例如，这样强大的频率梳可以用于检测大气中痕量气体，或以极高的精度同步时钟。

取得这一成果的过程涉及对芯片内部结构的精心重新设计。团队首先对器件的较短部分进行了表征，以确保微波信号可以在长距离传输而不损失强度。他们发现，通过使用更厚的金属电极和特定的布局，可以使微波损耗保持在极低水平。一旦确认信号可以在长距离传输而不衰减，他们便实施了折叠技术。这包括引导光波穿过电场，然后将其弯曲以再次通过同一个电场，但方式是让电力的推动不断累加而非抵消。这种建设性的累积使他们能够建立起巨大的调制深度，有效地将光波扭转成数百个新的频率。

这项工作的成功表明，通过更好地工程化光与电之间的相互作用，可以克服集成光子学中尺寸和效率的限制。研究人员指出，他们的方法具有可扩展性，这意味着同样可以利用这些原理来构建更长的相互作用路径。这最终可能导致能够构建在单个芯片上、且距离接近半米的器件。这种能够高效产生高功率、宽带光梳的能力，标志着在使先进光学技术更易于普及并应用于日常通信、传感和计算领域方面迈出了重要一步。