2023 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予三位研究量子點(diǎn)的科學(xué)家。而在前不久，美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士后董伯彰和所在團(tuán)隊(duì)，恰好發(fā)表了一篇關(guān)于量子點(diǎn)的論文。
研究中，他們成功造出一顆可用于光纖通信波段的調(diào)頻光頻梳，讓量子點(diǎn)可以作為激光器的增益介質(zhì)。同時(shí)，他們首次系統(tǒng)性地報(bào)道、并討論了量子點(diǎn)鎖模激光器中的調(diào)頻鎖模現(xiàn)象及其產(chǎn)生的機(jī)制。
目前，量子點(diǎn)鎖模激光器已被成功用于業(yè)界。而調(diào)頻鎖模技術(shù)有助于進(jìn)一步提升其應(yīng)用潛力。調(diào)頻光頻梳的一大優(yōu)勢(shì)在于具備超大的光學(xué)帶寬，如果將其用在光纖通信波段，就可與密集波分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)合以提升光電芯片的數(shù)據(jù)傳輸容量。
而利用量子點(diǎn)作為激光器的增益材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)高效的調(diào)頻光頻梳輸出，更能進(jìn)一步提升片上光源的電光轉(zhuǎn)換效率。
同時(shí)，量子點(diǎn)激光器是硅光芯片的理想光源，與硅光結(jié)合可以進(jìn)一步降低芯片的制造成本。
“在此之前，已經(jīng)有多個(gè)來自歐美的團(tuán)隊(duì)報(bào)道稱，量子點(diǎn)鎖模激光器的傳輸性能可以達(dá)到 10 太比特每秒的量級(jí)，而我們要強(qiáng)調(diào)的正是調(diào)頻鎖模技術(shù)的大帶寬所能實(shí)現(xiàn)的功能。”董伯彰表示。
（來源：Light: Science & Applications）
打造超大帶寬光頻梳，以用于高速光子集成電路
如今，當(dāng)我們談起鎖模激光器或光學(xué)頻率梳的時(shí)候，更多是指其調(diào)幅特性，而這與其發(fā)展歷史密切相關(guān)。1960 年，美國(guó)科學(xué)家西奧多·哈羅德·梅曼（Theodore Harold Ted Maiman）報(bào)道了世界上第一臺(tái)激光器。在這之后的五年內(nèi)，人們陸續(xù)在氣體激光器和半導(dǎo)體激光器內(nèi)發(fā)現(xiàn)鎖模現(xiàn)象，深刻影響了激光器的后續(xù)發(fā)展。
鎖模效應(yīng)，指的是激光器不同諧振模式之間存在固定的相位關(guān)系，而且在理想情況下不隨時(shí)間變化。一般來說，鎖模可以通過對(duì)腔內(nèi)光場(chǎng)進(jìn)行周期性幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)，這在激光輸出上會(huì)體現(xiàn)出一系列周期性的光脈沖，也就是調(diào)幅光頻梳。
由于超快光脈沖在激光加工、探測(cè)和遙感等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。自 20 世紀(jì) 60 年代起，調(diào)幅光頻梳得到了充分研究和發(fā)展。
1964 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)史蒂芬·哈里斯教授（Stephen E. Harris）和羅素·塔格（Russell Targ）教授報(bào)道了氦氖激光器中的調(diào)頻鎖模現(xiàn)象。
相比調(diào)幅鎖模激光器，調(diào)頻鎖模激光器在時(shí)域上呈現(xiàn)出類連續(xù)波的輸出。由于調(diào)頻鎖模效應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)人們所期待的光脈沖輸出，故針對(duì)它的研究逐漸趨于平淡。
上述現(xiàn)狀直到 2012 年才得到改變。當(dāng)年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院杰羅姆·法斯特（Jér?me Faist）教授和團(tuán)隊(duì)，在用于中紅外波段的量子級(jí)聯(lián)激光器中發(fā)現(xiàn)了自鎖模現(xiàn)象。
顧名思義，這種鎖模效應(yīng)只需通過一段增益介質(zhì)和一個(gè)簡(jiǎn)單的法布里-珀羅腔便能實(shí)現(xiàn)，無需借助任何外部幅度調(diào)制工具。有趣的是，該激光器無法輸出傳統(tǒng)意義上的光脈沖。
至此，幾乎塵封半個(gè)世紀(jì)之久的調(diào)頻光頻梳重新走入大眾視野。隨后人們逐步揭開了調(diào)頻鎖模激光器的神秘面紗——超快光學(xué)增益介質(zhì)所帶來的極致光學(xué)非線性。
由于量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，載流子可以實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)別的帶內(nèi)躍遷，從而帶來極強(qiáng)的空間燒孔（spatial hole burning）和四波混頻（four-wave mixing）效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)光場(chǎng)的頻率調(diào)制。這也是傳統(tǒng)載流子帶間躍遷的量子阱激光器所無法比擬的。
同時(shí)，大量研究表明調(diào)頻光頻梳可以帶來比傳統(tǒng)調(diào)幅光頻梳更大的光學(xué)帶寬，這使其擁有廣泛的應(yīng)用前景。
盡管調(diào)頻鎖模理論在量子級(jí)聯(lián)激光器中已得到較為充分的研究，但調(diào)頻光頻梳的應(yīng)用潛力尚待發(fā)掘。受限于量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波段，目前高性能的調(diào)頻光頻梳主要用于中紅外波段。
然而，在通信技術(shù)更為成熟的近紅外波段，理論研究和實(shí)驗(yàn)研究都證明調(diào)頻光頻梳無法在傳統(tǒng)量子阱激光器中高效輸出，導(dǎo)致其超大的光學(xué)帶寬的優(yōu)勢(shì)無法被充分發(fā)揮。
量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的構(gòu)想最初由日本東京大學(xué)荒川泰彥（Yasuhiko Arakawa）教授于 1982 年提出，他指出在量子阱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以將半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)為三維 10 納米左右的立體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子流動(dòng)的進(jìn)一步限制。而該研究的最初目的旨在提高增益介質(zhì)的電光轉(zhuǎn)換效率。
然而，對(duì)載流子施加三維限制也帶來了離散的半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)，這讓量子點(diǎn)兼具量子阱與量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的特性，游走其中的載流子進(jìn)行緩慢的帶間躍遷，也能實(shí)現(xiàn)快速的帶內(nèi)躍遷。
早在 2000 年，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)迪耶·比姆貝格（Didier Bimberg）教授和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道過上述現(xiàn)象。但是，在之后的一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)界并沒有將其與調(diào)頻光頻梳技術(shù)建立起聯(lián)系。
事實(shí)上，量子點(diǎn)鎖模激光器中的調(diào)頻效應(yīng)在一定程度上被調(diào)幅效應(yīng)所掩蓋著。由于大部分報(bào)道的量子點(diǎn)鎖模激光器，都可以實(shí)現(xiàn)典型的調(diào)幅光脈沖輸出，所以學(xué)界普遍認(rèn)為它仍然是屬于載流子帶間躍遷的激光器，也就是說它只不過是量子阱結(jié)構(gòu)的進(jìn)階版。
盡管如此，依舊有一些課題組比如來自加拿大國(guó)家科研中心的一支團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了量子點(diǎn)激光器中的自鎖模現(xiàn)象。直到 2012 年，一個(gè)來自歐洲的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一顆無脈沖輸出的量子點(diǎn)自鎖模激光器，只是當(dāng)時(shí)他們還沒有意識(shí)到那是調(diào)頻鎖模效應(yīng)。
十多年后的今天，量子點(diǎn)激光器中的自鎖模效應(yīng)，正被逐步認(rèn)為是調(diào)頻鎖模效應(yīng)，但還有至少三個(gè)問題并未得到充分解答。
其一，量子點(diǎn)激光器中的調(diào)頻鎖模和調(diào)幅鎖模效應(yīng)究竟通過什么條件觸發(fā)和關(guān)閉的？
其二，一些自鎖模量子點(diǎn)激光器中的超快脈沖輸出到底該如何解釋？
其三，包含可飽和吸收體的被動(dòng)鎖模量子點(diǎn)激光器所輸出的究竟是調(diào)幅光頻梳還是調(diào)頻光頻梳？
如果連激光器的輸出性質(zhì)都無法確定的，后續(xù)發(fā)展勢(shì)必會(huì)受到影響。因此，董伯彰的研究目的很明確，就是找出該現(xiàn)象背后的原因，并利用調(diào)頻鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)超大帶寬光頻梳，從而用于高速光子集成電路。
（來源：Light: Science & Applications）
從“我沒被說服”，到“思想上的變革”
盡管本次論文發(fā)表于董伯彰的博后期間，但是此次課題的確定則能追溯到他在剛讀博時(shí)的第一個(gè)課題。
當(dāng)時(shí)，他的主要研究方向是量子點(diǎn)被動(dòng)鎖模激光器的非線性動(dòng)態(tài)。其發(fā)現(xiàn)，對(duì)可飽和吸收體施加反向偏壓可以提高光譜帶寬，并能同時(shí)提高激光器的線寬展寬因子。
按照調(diào)幅鎖模理論，一般對(duì)前者的解釋是：可飽和吸收體上的反向偏壓會(huì)壓縮光學(xué)脈沖的脈寬，從而提高光譜帶寬。
然而，受限于當(dāng)時(shí)的測(cè)試條件，他和同事無法得到更多的數(shù)據(jù)，只能按照既有理論去理解這一現(xiàn)象。
“至于后者，我們知道激光器的線寬展寬因子會(huì)直接影響激光器的性能，例如噪聲水平和對(duì)外部光學(xué)反饋的敏感度。那么，激光器的光譜帶寬會(huì)不會(huì)也在一定程度上受到線寬展寬因子的影響？可能二者之間并無直接關(guān)聯(lián)，但我無法做到忽視它們之間的相關(guān)性。”董伯彰說。
但在當(dāng)時(shí)，對(duì)于這一問題他暫時(shí)沒有答案。甚至這個(gè)問題在當(dāng)時(shí)根本就不存在，因?yàn)閾?jù)他所知這是第一次有研究結(jié)果顯示激光器的線寬展寬因子與可飽和吸收體上反向偏壓具有相關(guān)性，以至于現(xiàn)有理論模型并沒有把這個(gè)效應(yīng)考慮進(jìn)去。
“后來因?yàn)榉N種原因，我沒能在讀博期間解決這個(gè)問題，但它卻在我心中埋下了一顆種子。”其表示。
等來到加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校之后，他終于有更多時(shí)間去思考上述問題。就在這時(shí)他接觸到了量子級(jí)聯(lián)激光器的鎖模理論，并了解了調(diào)頻鎖模效應(yīng)。
其表示：“在此我需要感謝來自奧地利維也納理工大學(xué)的 Benedikt Schwartz 教授團(tuán)隊(duì)，閱讀他們的理論論文實(shí)在是一種享受。他們指出量子級(jí)聯(lián)激光器中的光學(xué)克爾效應(yīng)受到線寬展寬因子的直接影響，并有助于提高光譜帶寬。”
于是接下來問題是：能否使用調(diào)頻光頻梳的理論，去解釋量子點(diǎn)激光器？這兩種激光器有沒有共同點(diǎn)？
后來董伯彰驚喜地發(fā)現(xiàn)，幾乎所有量子點(diǎn)激光器的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都在指向調(diào)頻鎖模現(xiàn)象。理論基礎(chǔ)已經(jīng)建立，最后一步便是直接測(cè)量出調(diào)頻光頻梳動(dòng)態(tài)。
研究期間，董伯彰導(dǎo)師對(duì)他說的最多的一句話就是“我沒被說服”，所以他不得不用更多研究結(jié)果去說服導(dǎo)師。而如果沒有導(dǎo)師的鞭策，他可能也不會(huì)去盡力完善這項(xiàng)工作。
直到董伯彰最終向?qū)熥C明了調(diào)頻光頻梳現(xiàn)象，后者用“思想上的變革（evolution of thinking）”來評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作。
另外，研究期間董伯彰曾和奧地利維也納理工大學(xué)尼古拉·阿帕克（Nikola Opacak）博士有過交流。后者從一開始不相信量子點(diǎn)激光器也能像量子級(jí)聯(lián)激光器一樣高效地輸出調(diào)頻光頻梳，到后來著手參與理論建設(shè)，最后認(rèn)可了董伯彰的結(jié)論。“而他對(duì)于半導(dǎo)體物理的深層次理解，也給工科出身的我提供了很多新思路。”董伯彰說。
日前，相關(guān)論文以《寬帶量子點(diǎn)調(diào)頻梳狀激光器》（Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser）為題發(fā)在 Light: Science & Applications（IF 19.4），董伯彰是第一作者兼共同通訊，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校約翰·鮑爾斯（John E. Bowers）教授擔(dān)任共同通訊 [1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: Science & Applications）
董伯彰說：“接下來的工作有兩個(gè)方向：一個(gè)是溯源，一個(gè)是發(fā)展。我希望不僅是我們團(tuán)隊(duì)，也能有更多同行參與到這項(xiàng)研究中來。我們希望與更多的理論學(xué)家合作，從而將調(diào)頻鎖模理論適配到量子點(diǎn)激光器中。同時(shí)，我們也會(huì)關(guān)注調(diào)頻鎖模量子點(diǎn)激光器在集成光路和數(shù)據(jù)中心中的進(jìn)一步應(yīng)用。”
（來源：Light: Science & Applications）
參考資料：
1.Dong, B., Dumont, M., Terra, O.et al. Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser. Light Sci Appl 12, 182 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01225-z
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