2023 年的诺贝尔化学奖被授予三位研究量子点的科学家。而在前不久，美国加州大学圣塔芭芭拉分校博士后董伯彰和所在团队，恰好发表了一篇关于量子点的论文。

研究中，他们成功造出一颗可用于光纤通信波段的调频光频梳，让量子点可以作为激光器的增益介质。同时，他们首次系统性地报道、并讨论了量子点锁模激光器中的调频锁模现象及其产生的机制。

目前，量子点锁模激光器已被成功用于业界。而调频锁模技术有助于进一步提升其应用潜力。调频光频梳的一大优势在于具备超大的光学带宽，如果将其用在光纤通信波段，就可与密集波分复用系统结合以提升光电芯片的数据传输容量。

而利用量子点作为激光器的增益材料，不仅可以实现高效的调频光频梳输出，更能进一步提升片上光源的电光转换效率。

同时，量子点激光器是硅光芯片的理想光源，与硅光结合可以进一步降低芯片的制造成本。

“在此之前，已经有多个来自欧美的团队报道称，量子点锁模激光器的传输性能可以达到 10 太比特每秒的量级，而我们要强调的正是调频锁模技术的大带宽所能实现的功能。”董伯彰表示。

（来源：Light: Science & Applications）

打造超大带宽光频梳，以用于高速光子集成电路

如今，当我们谈起锁模激光器或光学频率梳的时候，更多是指其调幅特性，而这与其发展历史密切相关。1960 年，美国科学家西奥多·哈罗德·梅曼（Theodore Harold Ted Maiman）报道了世界上第一台激光器。在这之后的五年内，人们陆续在气体激光器和半导体激光器内发现锁模现象，深刻影响了激光器的后续发展。

锁模效应，指的是激光器不同谐振模式之间存在固定的相位关系，而且在理想情况下不随时间变化。一般来说，锁模可以通过对腔内光场进行周期性幅度调制实现，这在激光输出上会体现出一系列周期性的光脉冲，也就是调幅光频梳。

由于超快光脉冲在激光加工、探测和遥感等领域具备广泛的应用前景。自 20 世纪 60 年代起，调幅光频梳得到了充分研究和发展。

1964 年，美国斯坦福大学史蒂芬·哈里斯教授（Stephen E. Harris）和罗素·塔格（Russell Targ）教授报道了氦氖激光器中的调频锁模现象。

相比调幅锁模激光器，调频锁模激光器在时域上呈现出类连续波的输出。由于调频锁模效应无法实现人们所期待的光脉冲输出，故针对它的研究逐渐趋于平淡。

上述现状直到 2012 年才得到改变。当年，瑞士苏黎世联邦理工学院杰罗姆·法斯特（Jérôme Faist）教授和团队，在用于中红外波段的量子级联激光器中发现了自锁模现象。

顾名思义，这种锁模效应只需通过一段增益介质和一个简单的法布里-珀罗腔便能实现，无需借助任何外部幅度调制工具。有趣的是，该激光器无法输出传统意义上的光脉冲。

至此，几乎尘封半个世纪之久的调频光频梳重新走入大众视野。随后人们逐步揭开了调频锁模激光器的神秘面纱——超快光学增益介质所带来的极致光学非线性。

由于量子级联结构的存在，载流子可以实现皮秒级别的带内跃迁，从而带来极强的空间烧孔（spatial hole burning）和四波混频（four-wave mixing）效应，进而实现腔内光场的频率调制。这也是传统载流子带间跃迁的量子阱激光器所无法比拟的。

同时，大量研究表明调频光频梳可以带来比传统调幅光频梳更大的光学带宽，这使其拥有广泛的应用前景。

尽管调频锁模理论在量子级联激光器中已得到较为充分的研究，但调频光频梳的应用潜力尚待发掘。受限于量子级联激光器的工作波段，目前高性能的调频光频梳主要用于中红外波段。

然而，在通信技术更为成熟的近红外波段，理论研究和实验研究都证明调频光频梳无法在传统量子阱激光器中高效输出，导致其超大的光学带宽的优势无法被充分发挥。

量子点结构的构想最初由日本东京大学荒川泰彦（Yasuhiko Arakawa）教授于 1982 年提出，他指出在量子阱结构的基础上可以将半导体材料生长为三维 10 纳米左右的立体结构，从而实现对载流子流动的进一步限制。而该研究的最初目的旨在提高增益介质的电光转换效率。

然而，对载流子施加三维限制也带来了离散的半导体能级结构，这让量子点兼具量子阱与量子级联结构的特性，游走其中的载流子进行缓慢的带间跃迁，也能实现快速的带内跃迁。

早在 2000 年，德国柏林工业大学迪耶·比姆贝格（Didier Bimberg）教授和团队已经报道过上述现象。但是，在之后的一段时间内，学界并没有将其与调频光频梳技术建立起联系。

事实上，量子点锁模激光器中的调频效应在一定程度上被调幅效应所掩盖着。由于大部分报道的量子点锁模激光器，都可以实现典型的调幅光脉冲输出，所以学界普遍认为它仍然是属于载流子带间跃迁的激光器，也就是说它只不过是量子阱结构的进阶版。

尽管如此，依旧有一些课题组比如来自加拿大国家科研中心的一支团队，报道了量子点激光器中的自锁模现象。直到 2012 年，一个来自欧洲的联合团队报道了一颗无脉冲输出的量子点自锁模激光器，只是当时他们还没有意识到那是调频锁模效应。

十多年后的今天，量子点激光器中的自锁模效应，正被逐步认为是调频锁模效应，但还有至少三个问题并未得到充分解答。

其一，量子点激光器中的调频锁模和调幅锁模效应究竟通过什么条件触发和关闭的？

其二，一些自锁模量子点激光器中的超快脉冲输出到底该如何解释？

其三，包含可饱和吸收体的被动锁模量子点激光器所输出的究竟是调幅光频梳还是调频光频梳？

如果连激光器的输出性质都无法确定的，后续发展势必会受到影响。因此，董伯彰的研究目的很明确，就是找出该现象背后的原因，并利用调频锁模技术实现超大带宽光频梳，从而用于高速光子集成电路。

（来源：Light: Science & Applications）

从“我没被说服”，到“思想上的变革”

尽管本次论文发表于董伯彰的博后期间，但是此次课题的确定则能追溯到他在刚读博时的第一个课题。

当时，他的主要研究方向是量子点被动锁模激光器的非线性动态。其发现，对可饱和吸收体施加反向偏压可以提高光谱带宽，并能同时提高激光器的线宽展宽因子。

按照调幅锁模理论，一般对前者的解释是：可饱和吸收体上的反向偏压会压缩光学脉冲的脉宽，从而提高光谱带宽。

然而，受限于当时的测试条件，他和同事无法得到更多的数据，只能按照既有理论去理解这一现象。

“至于后者，我们知道激光器的线宽展宽因子会直接影响激光器的性能，例如噪声水平和对外部光学反馈的敏感度。那么，激光器的光谱带宽会不会也在一定程度上受到线宽展宽因子的影响？可能二者之间并无直接关联，但我无法做到忽视它们之间的相关性。”董伯彰说。

但在当时，对于这一问题他暂时没有答案。甚至这个问题在当时根本就不存在，因为据他所知这是第一次有研究结果显示激光器的线宽展宽因子与可饱和吸收体上反向偏压具有相关性，以至于现有理论模型并没有把这个效应考虑进去。

“后来因为种种原因，我没能在读博期间解决这个问题，但它却在我心中埋下了一颗种子。”其表示。

等来到加州大学圣塔芭芭拉分校之后，他终于有更多时间去思考上述问题。就在这时他接触到了量子级联激光器的锁模理论，并了解了调频锁模效应。

其表示：“在此我需要感谢来自奥地利维也纳理工大学的 Benedikt Schwartz 教授团队，阅读他们的理论论文实在是一种享受。他们指出量子级联激光器中的光学克尔效应受到线宽展宽因子的直接影响，并有助于提高光谱带宽。”

于是接下来问题是：能否使用调频光频梳的理论，去解释量子点激光器？这两种激光器有没有共同点？

后来董伯彰惊喜地发现，几乎所有量子点激光器的理论和实验结果都在指向调频锁模现象。理论基础已经建立，最后一步便是直接测量出调频光频梳动态。

研究期间，董伯彰导师对他说的最多的一句话就是“我没被说服”，所以他不得不用更多研究结果去说服导师。而如果没有导师的鞭策，他可能也不会去尽力完善这项工作。

直到董伯彰最终向导师证明了调频光频梳现象，后者用“思想上的变革（evolution of thinking）”来评价这项工作。

另外，研究期间董伯彰曾和奥地利维也纳理工大学尼古拉·阿帕克（Nikola Opacak）博士有过交流。后者从一开始不相信量子点激光器也能像量子级联激光器一样高效地输出调频光频梳，到后来着手参与理论建设，最后认可了董伯彰的结论。“而他对于半导体物理的深层次理解，也给工科出身的我提供了很多新思路。”董伯彰说。

日前，相关论文以《宽带量子点调频梳状激光器》（Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser）为题发在 Light: Science & Applications（IF 19.4），董伯彰是第一作者兼共同通讯，加州大学圣塔芭芭拉分校约翰·鲍尔斯（John E. Bowers）教授担任共同通讯 [1]。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

董伯彰说：“接下来的工作有两个方向：一个是溯源，一个是发展。我希望不仅是我们团队，也能有更多同行参与到这项研究中来。我们希望与更多的理论学家合作，从而将调频锁模理论适配到量子点激光器中。同时，我们也会关注调频锁模量子点激光器在集成光路和数据中心中的进一步应用。”

（来源：Light: Science & Applications）

参考资料：

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