科学家成功制备调频光频梳，有望提升光电芯片的数据传输容量

2023年的诺贝尔化学奖，三位科学家因研究量子点而获得。而近期，加州大学圣塔芭芭拉分校的研究团队刚刚发表了一篇关于量子点的论文，成功制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。这一研究对于光电芯片的数据传输容量提升有着重要意义。同时，研究人员还首次系统性地报道和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。这种技术有望进一步提升量子点锁模激光器的应用潜力。调频光频梳具有超大的光学带宽，可与密集波分复用系统结合以提升片上光源的数据传输容量。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，还能进一步提升片上光源的电光转换效率。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。

据团队负责人董伯彰介绍，“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。”在谈到锁模激光器或光学频率梳时，更多指的是其调幅特性。这与其发展历史密切相关。1960年，科学家梅曼报道了世界上第一台激光器。在之后的五年内，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。锁模效应指的是不同谐振模式之间存在固定的相位关系，并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。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。在这篇论文中，研究人员成功利用量子点制造出了可用于光纤通信波段的调频光频梳，同时深入探讨了量子点锁模激光器的调频锁模现象及其机制。

这一成果有望推动量子点锁模激光器的应用发展，为光电芯片的数据传输容量提升带来重大贡献。调频锁模激光器的出现，重新唤起了人们对调频光频梳的兴趣。这种激光器无需外部幅度调制工具，只需增益介质和法布里-珀罗腔，就能实现自锁模效应，并产生类连续波的输出。这种锁模效应利用了超快光学增益介质的极致光学非线性，从而带来极强的空间烧孔和四波混频效应，实现了腔内光场的频率调制。同时，相比传统调幅光频梳，调频光频梳具有更大的光学带宽，应用前景广阔。虽然目前调频光频梳在中红外波段上已得到较为广泛的应用，但其在近红外波段上的应用尚待深入研究。值得期待的是，随着研究的深入，调频光频梳或将在更多领域中发挥出自己的独特优势，为我们带来更多惊喜。量子点激光器的自锁模现象一直以来都是一个引人注目的研究课题。自1982年日本东京大学的荒川泰彦教授首次提出量子点结构的构想以来，学界对于量子点激光器的性质和特性一直在探讨和研究。

最初的研究目的是提高增益介质的电光转换效率，通过在半导体材料上生长三维立体结构来限制载流子的流动。然而，这种三维限制也使得量子点具有了离散的能级结构，既能够实现缓慢的带间跃迁，也能够实现快速的带内跃迁。过去的研究普遍认为量子点激光器是属于载流子带间跃迁的激光器，相当于量子阱结构的进阶版。然而，近年来的研究表明，量子点激光器中的自锁模效应实际上是调频锁模效应，而不是调幅光脉冲输出。这一发现由加拿大国家科研中心的一支团队在2012年首次报道，随后又有欧洲的联合团队在2012年报道了一颗无脉冲输出的量子点自锁模激光器。然而，尽管已经有了一些关于量子点激光器中调频锁模效应的研究成果，但仍然有一些问题没有得到充分解答。首先，我们不清楚调频锁模和调幅锁模效应是如何被触发和关闭的。其次，一些自锁模量子点激光器中的超快脉冲输出仍然没有被合理解释。

最后，包含可饱和吸收体的被动锁模量子点激光器到底输出的是调幅光频梳还是调频光频梳也没有确定。因此，董伯彰在他的研究中明确了研究目标，希望找出量子点激光器自锁模现象背后的原因，并利用调频锁模技术实现超大带宽光频梳，以应用于高速光子集成电路。他的研究目的非常明确，他希望通过深入研究和解决这些问题，为量子点激光器的进一步发展做出贡献。董伯彰的研究经历可以追溯到他在读博士学位期间的第一个研究课题。尽管这篇论文是在他博士后期间发表的，但这个课题的确定已经可以追溯到他刚开始攻读博士学位时。他一直没有被现有的观点所说服，而是不断思考和探索，最终导致了他对量子点激光器自锁模现象的深入研究。总结而言，量子点激光器的自锁模现象一直是一个备受关注的研究课题。尽管已经有了一些成果，但仍然有一些问题需要解答。董伯彰的研究目标是找出这些问题的答案，并实现超大带宽光频梳的应用。

他的研究经历可以追溯到他在读博士学位期间的第一个课题，他一直对量子点激光器的性质和特性保持着批判性思维，希望推动这一领域的发展。当时，董伯彰的研究方向是量子点被动锁模激光器的非线性动态。他发现，在对可饱和吸收体施加反向偏压时，光谱带宽提高，同时激光器的线宽展宽因子也提高。这个现象在当时并没有得到很好的解释和理论模型。然而，董伯彰对这个现象产生了好奇。他思考着，激光器的线宽展宽因子会不会影响光谱带宽呢？虽然并没有直接的相关性，但他觉得这个问题值得探究。在读博期间，由于各种原因，他没有解决这个问题，但种子已经在他心中埋下。直到他来到加州大学圣塔芭芭拉分校后，他有了更多的时间去思考这个问题。他开始研究量子级联激光器的锁模理论，并了解到了调频锁模效应。

通过阅读奥地利维也纳理工大学Benedikt Schwartz教授团队的理论论文，他得知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，并且有助于提高光谱带宽。董伯彰开始思考能否将调频光频梳的理论应用到量子点激光器中。他惊喜地发现，几乎所有量子点激光器的理论和实验结果都与调频锁模现象相关。这为他建立理论基础提供了支持，接下来他需要直接测量调频光频梳动态。通过对这个问题的思考和研究，董伯彰为量子点激光器的理论研究开辟了新的方向。他的努力和发现将有助于提高激光器的性能，并为光子学领域的发展做出重要贡献。这个故事告诉我们，科学研究需要不断的思考和探索。有时候，一个看似简单的问题可能蕴含着许多未知的答案，只有通过不断的努力和探索，才能找到真正的解决方法。董伯彰的故事激励着我们，让我们勇敢地去追寻科学的未知领域，为人类的进步做出贡献。

科学研究中，导师的指导和鞭策常常起着至关重要的作用。对于董伯彰而言，导师董伯彰曾多次表示“我没被说服”，这促使他不断努力寻找更多的研究结果来说服导师。正是由于导师的挑战和质疑，他才得以不断完善自己的研究工作。最终，他向导师证明了调频光频梳现象，导师将其评价为“思想上的变革”。在研究期间，董伯彰还与奥地利维也纳理工大学的尼古拉·阿帕克博士进行了交流。一开始，尼古拉对于量子点激光器能否像量子级联激光器一样高效地输出调频光频梳持怀疑态度，但后来他开始参与理论建设，并最终认可了董伯彰的结论。董伯彰表示，尼古拉对半导体物理的深层次理解为他提供了很多新思路。董伯彰的学术背景也为他的科研之路打下了坚实的基础。他先后在华中科技大学、法国巴黎萨克雷大学和法国巴黎理工学院取得了本科、硕士和博士学位。在法国期间，他曾在法国巴黎高等电信学校学习量子点激光器。

此外，在读博期间，他还前往中国台湾清华大学进行访学，专注于半导体激光器的非线性动态研究。这些国际学习经历极大地培养了他的科研素养。法国作为现代科学的发源地之一，拥有深厚的科学底蕴。而经过拿破仑的教育改革后，法国将工程师教育作为国家的立国之本。董伯彰表示，他很荣幸能够同时体验到法国的科学教育和工程师教育。他曾就读的巴黎萨克雷大学的前身是老巴黎大学的理学院，这一教育理念来源于巴黎左岸的索邦大学中庭。索邦大学的中庭是由巴黎大学前校长阿尔芒-让·迪·普莱西·德·黎塞留建造的礼拜堂。在这个中庭里，路易·巴斯德和维克多·雨果等巴黎大学史上最杰出的教授和学生留下了众多的足迹。这一历史悠久的场所，见证了巴黎大学的辉煌历史。董伯彰的科研之路充满了挑战和探索。他通过不断与导师和其他科研人员的交流和互动，克服了困难，取得了突破。

他的故事告诉我们，科研需要坚持不懈的努力和勇于接受挑战的勇气，只有这样才能取得真正的突破和进步。从巴黎大学到台湾清华大学，再到加州大学圣塔芭芭拉分校，董伯彰的学术之旅一直在探索科学、哲学和宗教的融合，以及将理论与实践结合的可能性。他坚信，通过人类智慧的结晶，我们可以揭开世界的本源。在法国的时候，董伯彰受到了法兰西的岁月的影响，这影响着他对科学的看法。而在中国台湾的经历则促使他思考如何将理论与实践结合，去研究可以真正推动行业发展的技术。他的合作导师林凡异教授是混沌光学雷达的开拓者，他的工作更偏向于工程应用。董伯彰感慨地说：“我很有幸能在梅花盛开的季节在台湾清华大学里工作生活了三个月，并能在梅贻琦校长墓前听清华学子讲他的大师论。清华大学图书馆里最显眼的位置摆放的是本校教授的著作，令人叹为观止。所谓大学者，有大师之谓也，当如是也。

”博士期间的成果使董伯彰获得了巴黎理工学院2022年度最佳博士论文一等奖、2021年度中国国家留学基金委优秀自费留学生奖学金以及2021年度IEEE Photonics Technology Letters最佳论文奖。毕业后，他来到加州大学圣塔芭芭拉分校从事博士后研究。董伯彰的研究成果也是备受瞩目的。参考资料显示，他参与了一项关于量子点频率调制激光器的研究，该研究发表在《Light: Science & Applications》杂志上。这项研究展示了一种宽带性能的激光器，有着广泛的应用前景。通过他的学术之旅，董伯彰不仅展示了自己对科学、哲学和宗教的追求，也向世界展示了理论与实践的结合的重要性。他的研究成果也为行业的发展带来了新的可能性。作为一名年轻的科学家，他的工作必将继续推动科技的进步，为人类智慧的结晶贡献更多的力量。