2023 年的諾貝爾化學獎被授予三位研究量子點的科學家。而在前不久，美國加州大學聖塔芭芭拉分校博士後董伯彰和所在團隊，恰好發表了一篇關(guan) 於(yu) 量子點的論文。

研究中，他們(men) 成功造出一顆可用於(yu) 光纖通信波段的調頻光頻梳，讓量子點可以作為(wei) 激光器的增益介質。同時，他們(men) 首次係統性地報道、並討論了量子點鎖模激光器中的調頻鎖模現象及其產(chan) 生的機製。

目前，量子點鎖模激光器已被成功用於(yu) 業(ye) 界。而調頻鎖模技術有助於(yu) 進一步提升其應用潛力。調頻光頻梳的一大優(you) 勢在於(yu) 具備超大的光學帶寬，如果將其用在光纖通信波段，就可與(yu) 密集波分複用係統結合以提升光電芯片的數據傳(chuan) 輸容量。

而利用量子點作為(wei) 激光器的增益材料，不僅(jin) 可以實現高效的調頻光頻梳輸出，更能進一步提升片上光源的電光轉換效率。

同時，量子點激光器是矽光芯片的理想光源，與(yu) 矽光結合可以進一步降低芯片的製造成本。

“在此之前，已經有多個(ge) 來自歐美的團隊報道稱，量子點鎖模激光器的傳(chuan) 輸性能可以達到 10 太比特每秒的量級，而我們(men) 要強調的正是調頻鎖模技術的大帶寬所能實現的功能。”董伯彰表示。

（來源：Light: Science & Applications）

打造超大帶寬光頻梳，以用於(yu) 高速光子集成電路

如今，當我們(men) 談起鎖模激光器或光學頻率梳的時候，更多是指其調幅特性，而這與(yu) 其發展曆史密切相關(guan) 。1960 年，美國科學家西奧多·哈羅德·梅曼（Theodore Harold Ted Maiman）報道了世界上第一台激光器。在這之後的五年內(nei) ，人們(men) 陸續在氣體(ti) 激光器和半導體(ti) 激光器內(nei) 發現鎖模現象，深刻影響了激光器的後續發展。

鎖模效應，指的是激光器不同諧振模式之間存在固定的相位關(guan) 係，而且在理想情況下不隨時間變化。一般來說，鎖模可以通過對腔內(nei) 光場進行周期性幅度調製實現，這在激光輸出上會(hui) 體(ti) 現出一係列周期性的光脈衝(chong) ，也就是調幅光頻梳。

由於(yu) 超快光脈衝(chong) 在激光加工、探測和遙感等領域具備廣泛的應用前景。自 20 世紀 60 年代起，調幅光頻梳得到了充分研究和發展。

1964 年，美國斯坦福大學史蒂芬·哈裏斯教授（Stephen E. Harris）和羅素·塔格（Russell Targ）教授報道了氦氖激光器中的調頻鎖模現象。

相比調幅鎖模激光器，調頻鎖模激光器在時域上呈現出類連續波的輸出。由於(yu) 調頻鎖模效應無法實現人們(men) 所期待的光脈衝(chong) 輸出，故針對它的研究逐漸趨於(yu) 平淡。

上述現狀直到 2012 年才得到改變。當年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院傑羅姆·法斯特（Jérôme Faist）教授和團隊，在用於(yu) 中紅外波段的量子級聯激光器中發現了自鎖模現象。

顧名思義(yi) ，這種鎖模效應隻需通過一段增益介質和一個(ge) 簡單的法布裏-珀羅腔便能實現，無需借助任何外部幅度調製工具。有趣的是，該激光器無法輸出傳(chuan) 統意義(yi) 上的光脈衝(chong) 。

至此，幾乎塵封半個(ge) 世紀之久的調頻光頻梳重新走入大眾(zhong) 視野。隨後人們(men) 逐步揭開了調頻鎖模激光器的神秘麵紗——超快光學增益介質所帶來的極致光學非線性。

由於(yu) 量子級聯結構的存在，載流子可以實現皮秒級別的帶內(nei) 躍遷，從(cong) 而帶來極強的空間燒孔（spatial hole burning）和四波混頻（four-wave mixing）效應，進而實現腔內(nei) 光場的頻率調製。這也是傳(chuan) 統載流子帶間躍遷的量子阱激光器所無法比擬的。

同時，大量研究表明調頻光頻梳可以帶來比傳(chuan) 統調幅光頻梳更大的光學帶寬，這使其擁有廣泛的應用前景。

盡管調頻鎖模理論在量子級聯激光器中已得到較為(wei) 充分的研究，但調頻光頻梳的應用潛力尚待發掘。受限於(yu) 量子級聯激光器的工作波段，目前高性能的調頻光頻梳主要用於(yu) 中紅外波段。

然而，在通信技術更為(wei) 成熟的近紅外波段，理論研究和實驗研究都證明調頻光頻梳無法在傳(chuan) 統量子阱激光器中高效輸出，導致其超大的光學帶寬的優(you) 勢無法被充分發揮。

量子點結構的構想最初由日本東(dong) 京大學荒川泰彥（Yasuhiko Arakawa）教授於(yu) 1982 年提出，他指出在量子阱結構的基礎上可以將半導體(ti) 材料生長為(wei) 三維 10 納米左右的立體(ti) 結構，從(cong) 而實現對載流子流動的進一步限製。而該研究的最初目的旨在提高增益介質的電光轉換效率。

然而，對載流子施加三維限製也帶來了離散的半導體(ti) 能級結構，這讓量子點兼具量子阱與(yu) 量子級聯結構的特性，遊走其中的載流子進行緩慢的帶間躍遷，也能實現快速的帶內(nei) 躍遷。

早在 2000 年，德國柏林工業(ye) 大學迪耶·比姆貝格（Didier Bimberg）教授和團隊已經報道過上述現象。但是，在之後的一段時間內(nei) ，學界並沒有將其與(yu) 調頻光頻梳技術建立起聯係。

事實上，量子點鎖模激光器中的調頻效應在一定程度上被調幅效應所掩蓋著。由於(yu) 大部分報道的量子點鎖模激光器，都可以實現典型的調幅光脈衝(chong) 輸出，所以學界普遍認為(wei) 它仍然是屬於(yu) 載流子帶間躍遷的激光器，也就是說它隻不過是量子阱結構的進階版。

盡管如此，依舊有一些課題組比如來自加拿大國家科研中心的一支團隊，報道了量子點激光器中的自鎖模現象。直到 2012 年，一個(ge) 來自歐洲的聯合團隊報道了一顆無脈衝(chong) 輸出的量子點自鎖模激光器，隻是當時他們(men) 還沒有意識到那是調頻鎖模效應。

十多年後的今天，量子點激光器中的自鎖模效應，正被逐步認為(wei) 是調頻鎖模效應，但還有至少三個(ge) 問題並未得到充分解答。

其一，量子點激光器中的調頻鎖模和調幅鎖模效應究竟通過什麽(me) 條件觸發和關(guan) 閉的？

其二，一些自鎖模量子點激光器中的超快脈衝(chong) 輸出到底該如何解釋？

其三，包含可飽和吸收體(ti) 的被動鎖模量子點激光器所輸出的究竟是調幅光頻梳還是調頻光頻梳？

如果連激光器的輸出性質都無法確定的，後續發展勢必會(hui) 受到影響。因此，董伯彰的研究目的很明確，就是找出該現象背後的原因，並利用調頻鎖模技術實現超大帶寬光頻梳，從(cong) 而用於(yu) 高速光子集成電路。

（來源：Light: Science & Applications）

從(cong) “我沒被說服”，到“思想上的變革”

盡管本次論文發表於(yu) 董伯彰的博後期間，但是此次課題的確定則能追溯到他在剛讀博時的第一個(ge) 課題。

當時，他的主要研究方向是量子點被動鎖模激光器的非線性動態。其發現，對可飽和吸收體(ti) 施加反向偏壓可以提高光譜帶寬，並能同時提高激光器的線寬展寬因子。

按照調幅鎖模理論，一般對前者的解釋是：可飽和吸收體(ti) 上的反向偏壓會(hui) 壓縮光學脈衝(chong) 的脈寬，從(cong) 而提高光譜帶寬。

然而，受限於(yu) 當時的測試條件，他和同事無法得到更多的數據，隻能按照既有理論去理解這一現象。

“至於(yu) 後者，我們(men) 知道激光器的線寬展寬因子會(hui) 直接影響激光器的性能，例如噪聲水平和對外部光學反饋的敏感度。那麽(me) ，激光器的光譜帶寬會(hui) 不會(hui) 也在一定程度上受到線寬展寬因子的影響？可能二者之間並無直接關(guan) 聯，但我無法做到忽視它們(men) 之間的相關(guan) 性。”董伯彰說。

但在當時，對於(yu) 這一問題他暫時沒有答案。甚至這個(ge) 問題在當時根本就不存在，因為(wei) 據他所知這是第一次有研究結果顯示激光器的線寬展寬因子與(yu) 可飽和吸收體(ti) 上反向偏壓具有相關(guan) 性，以至於(yu) 現有理論模型並沒有把這個(ge) 效應考慮進去。

“後來因為(wei) 種種原因，我沒能在讀博期間解決(jue) 這個(ge) 問題，但它卻在我心中埋下了一顆種子。”其表示。

等來到加州大學聖塔芭芭拉分校之後，他終於(yu) 有更多時間去思考上述問題。就在這時他接觸到了量子級聯激光器的鎖模理論，並了解了調頻鎖模效應。

其表示：“在此我需要感謝來自奧地利維也納理工大學的 Benedikt Schwartz 教授團隊，閱讀他們(men) 的理論論文實在是一種享受。他們(men) 指出量子級聯激光器中的光學克爾效應受到線寬展寬因子的直接影響，並有助於(yu) 提高光譜帶寬。”

於(yu) 是接下來問題是：能否使用調頻光頻梳的理論，去解釋量子點激光器？這兩(liang) 種激光器有沒有共同點？

後來董伯彰驚喜地發現，幾乎所有量子點激光器的理論和實驗結果都在指向調頻鎖模現象。理論基礎已經建立，最後一步便是直接測量出調頻光頻梳動態。

研究期間，董伯彰導師對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果去說服導師。而如果沒有導師的鞭策，他可能也不會(hui) 去盡力完善這項工作。

直到董伯彰最終向導師證明了調頻光頻梳現象，後者用“思想上的變革（evolution of thinking）”來評價(jia) 這項工作。

另外，研究期間董伯彰曾和奧地利維也納理工大學尼古拉·阿帕克（Nikola Opacak）博士有過交流。後者從(cong) 一開始不相信量子點激光器也能像量子級聯激光器一樣高效地輸出調頻光頻梳，到後來著手參與(yu) 理論建設，最後認可了董伯彰的結論。“而他對於(yu) 半導體(ti) 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(guan) 論文以《寬帶量子點調頻梳狀激光器》（Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser）為(wei) 題發在 Light: Science & Applications（IF 19.4），董伯彰是第一作者兼共同通訊，加州大學聖塔芭芭拉分校約翰·鮑爾斯（John E. Bowers）教授擔任共同通訊 [1]。

圖 | 相關(guan) 論文（來源：Light: Science & Applications）

董伯彰說：“接下來的工作有兩(liang) 個(ge) 方向：一個(ge) 是溯源，一個(ge) 是發展。我希望不僅(jin) 是我們(men) 團隊，也能有更多同行參與(yu) 到這項研究中來。我們(men) 希望與(yu) 更多的理論學家合作，從(cong) 而將調頻鎖模理論適配到量子點激光器中。同時，我們(men) 也會(hui) 關(guan) 注調頻鎖模量子點激光器在集成光路和數據中心中的進一步應用。”

（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