微波谐振器赋能！生成高效、低功耗的片上宽带电光频率梳

光学频率梳作为高精度光源，在光通信、光谱学、精密测距等领域具有不可替代的作用。传统光频率梳大多依赖锁模激光器或微腔非线性效应，虽性能优异但存在系统复杂、体积庞大、功耗高等局限性。铌酸锂凭借其卓越的电光系数和宽光谱透明窗口，为电光频率梳的小型化、低功耗及高速调谐提供了理想平台。随着近年来薄膜铌酸锂平台的迅速兴起，片上电光频率梳器件的尺寸被进一步缩减至毫米量级，能够在实现百纳米级别梳宽的同时保持超高的重复频率稳定性。然而，目前报道的片上电光频率梳虽具有稳定性强、带宽可调等优势，但其电极仅依赖简单的集总式电容设计，导致驱动功耗高、射频反射损耗大，且需额外配置昂贵的隔离器，严重制约了芯片级集成应用。如何实现低功耗、高兼容性且无需隔离器的片上电光频率梳，成为亟待解决的难题。为此，香港城市大学王骋副教授团队提出了一种基于薄膜铌酸锂平台的共面波导微波谐振器电极设计，通过四分之一波长谐振结构优化电场分布与阻抗匹配。该设计将电场强度提升3.6倍，显著增强了电光调制效率，同时将反射系数降至-46 dB，无需隔离器即可直接驱动。实验中，该团队在25.6 GHz重复频率下，以740 mW（28.7 dBm）的较低射频功率实现了85 nm宽的频率梳，共生成430条谱线。相较于传统的集总电容方案，该设计方案在相同功率下将梳宽提升2.2倍，且光学谐振腔品质因子（QL =8.5×105）更低，验证了其高效性。相关研究成果以“Microwave-resonator-enabled broadband on-chip electro-optic frequency comb generation”为题发表于Photonics Research 2025年第2期，被同时遴选为封面文章和亮点文章。该工作所提出的四分之一波长谐振结构如图1所示，通过短路终端形成驻波，显著增强电场强度，同时利用相位匹配机制确保光脉冲在谐振腔内循环时与微波场同相叠加，从而实现高效调制。光学谐振腔的高Q特性能够显著延长光子寿命，使边带生成效率呈指数增长。除此之外，该工作对微波谐振器的电学响应进行了理论建模，实验结果和理论模型高度相符，为实际应用中工作频率的拓展提供了重要的理论依据。优化后的微波谐振器能够实现与驱动电路的阻抗匹配，将反射系数抑制至-46 dB，有效解决了传统方案的功率反射问题。最终实现的微波谐振器将射频反射率在25 GHz目标频率附近1 GHz区间降至1%以下，首次实现了无需隔离器的单片集成方案。

图1 微波谐振腔赋能宽带电光频率梳产生的工作原理。(a) 集总电容方案和(b) 微波谐振器方案产生电光频率梳对比；(c) 微波谐振器电光频率梳产生器中电场分布和相位匹配条件的示意图

在实验验证过程中，该研究团队在4英寸薄膜铌酸锂晶圆上成功集成了光学跑道谐振腔与共面微波谐振器电极，通过紫外光刻和金属沉积工艺实现了高精度结构。如图2所示，在相同驱动功率740 mW下，微波谐振器生成的梳谱宽度达到85 nm，远超传统集总电容电极的38 nm，且无需外接隔离器。进一步的实验表明，即使光学自由光谱范围偏离微波谐振频率(25.67 GHz)，梳谱宽度仍能保持在75 nm以上，显示出对工艺偏差的强容错性，如图3所示。此外，通过调整微波谐振器和插指电极长度，该研究团队还成功实现了10 GHz频段的谐振，验证了设计模型在多频段扩展中的普适性，如图4所示。

图2 (a) 集总电容方案对应的片上电光频率梳产生器显微照片；(b) 共面微波谐振器方案对应的片上电光频率梳产生器短路端和耦合端的显微照片；(c) 在同为740 mW的驱动功率下，集总电容方案(i)和微波谐振器方案(ii)产生的频率梳光谱比较，以及在(i)、(ii)中所示的实验条件并使用当前设计而假设更高光学Q值和更大输入功率的情况下数值模拟的频梳光谱比较(iii)

图3 不同频率失配下的电光频率梳产生。黑色实线表示微波谐振器的归一化电场，对应左垂直轴和底部水平轴；蓝点表示不同光学跑道腔测得的频率梳谱线，对应右垂直轴和顶部水平轴

图4 用于不同目标频率的微波谐振器。(a) 针对10 GHz的微波谐振器显微照片，实验结果显示谐振频率为(b) 9.82 GHz和(c) 9.67 GHz

该研究的创新性体现在三个方面：第一，通过电场增强与阻抗匹配，驱动功耗降低至740 mW，功率效率指标达到116 nm·W-1/2·MQ-1，为同类最优；第二，首次实现无隔离器的片上电光频率梳生成，显著简化了系统架构；第三，该工作采用与CMOS兼容的薄膜铌酸锂加工工艺，器件尺寸仅为5 mm × 1 mm，并支持晶圆级量产，具备良好的工艺兼容性与成本可控性。这些突破为光学频率梳的实际应用开辟了广阔前景。“铌酸锂电光频率梳的创新意义不仅在于技术参数的突破，更在于其广泛的应用潜力；在光通信领域，可助力密集波分复用系统实现超多通道、低噪声的信号生成；在精密测量中，可为激光雷达、原子钟校准提供高稳定光源；在感知探测领域，可为高灵敏度气体传感、分布式光纤监测及生物医学成像提供宽谱、高精度的光源解决方案。”通讯作者王骋副教授表示，“研究团队近期通过优化波导结构与调制方案，成功将梳齿数量扩展至百纳米量级，并通过与CMOS兼容的薄膜铌酸锂加工工艺实现，标志着该技术向实用化迈出关键一步。”目前，该研究团队正着手从多个方向对本设计进行进一步优化：一是开发微结构电极，以进一步降低微波损耗并提升调制效率；二是优化光学设计和制作工艺，将光学腔Q值提升至2×106以上，目标梳谱宽度超过150 nm；三是探索毫米波及太赫兹波段的谐振器设计，为6G通信提供高频段光频梳支持；四是推动系统级集成，将激光器、调制器与探测器单片集成，构建全功能化光电芯片。这些后续工作将围绕性能优化、频段扩展和功能集成展开，旨在推动电光频率梳技术从实验室走向产业化应用。综上所述，该研究通过创新的微波谐振器设计，攻克了片上电光频率梳的反射与功耗难题，为集成化、低成本的光频梳系统提供了新范式；其技术路线兼具理论深度与工艺可行性，未来在通信、传感与量子技术领域的应用潜力值得期待。