基于集成测温技术实现频率稳定的纳米光子微腔：解决热扰动难题的新突破

《Nature Photonics》：Frequency-stable nanophotonic microcavities via integrated thermometry

本文报道了一种全集成测温方案，通过在高Q值微腔上方直接集成铂薄膜电阻作为温度传感器，实现了对硅基芯片上微腔共振频率的主动稳定。该技术无需光学探测即可将微腔共振波长长期稳定在±0.5 pm范围内，使分布式反馈激光器的频率漂移降低48倍，并成功稳定了克尔光频梳。这项研究为光通信、量子信息处理等应用提供了抗热扰动的集成光子频率参考解决方案。

　　

在当今快速发展的集成光子学领域，将光子器件与电子器件协同封装的可部署设备正在推动光互连、量子信息处理、精密测量等重要应用的发展。尽管过去二十年在提升光子芯片功能复杂性方面取得了显著进展，但一个关键挑战始终未能得到有效解决：如何克服来自环境和协同封装电子器件的热扰动。特别是在需要高频率稳定性的应用中，如光学原子钟、精密光谱学和光通信系统，微小的温度波动就可能导致系统性能的急剧下降。

高温灵敏度尤其成为非线性光子器件（如克尔光频梳）实际应用的瓶颈。这些基于高Q值微腔的器件对温度变化极其敏感，轻微的热波动就足以使泵浦激光器的失谐量超出锁模工作区，导致频率梳崩溃。此外，在神经形态计算和密集集成的共封装光子输入/输出模块等应用中，热串扰问题更是成为性能提升的主要障碍。

传统的热管理方法包括被动式热扰动抑制（如增大模式体积、使用隔热沟槽等）和基于光电效应的主动稳定方案。然而，这些方法要么只能部分降低热影响且显著增加制备成本，要么受限于参考激光器的稳定性，且不适用于实现克尔光频梳的常用高Q介质平台。双模光学测温方案虽然有所进展，但需要多个相位调制器和复杂电子设备，实用性受限。

针对这一系列挑战，哥伦比亚大学应用物理与应用数学系的Sai Kanth Dacha等研究人员在《Nature Photonics》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于全集成测温的高Q值微腔温度稳定方案。该技术通过在微腔上方直接集成薄膜金属电阻作为温度传感器，实现了无需光学探测的微腔共振频率主动稳定，为高性能集成光子器件的发展开辟了新途径。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先设计了基于铂薄膜的集成电阻温度计，利用其温度依赖性电阻特性实时监测微腔温度；其次开发了双电阻结构（一个作为温度传感器，另一个作为加热器），通过热学设计优化确保热稳定性；采用比例-积分-微分（PID）反馈控制算法，基于温度计读数主动调节加热器功率；通过异频外差测量和波长计校准实现绝对共振频率的精确标定；利用 Pound-Drever-Hall（PDH）方法将分布式反馈（DFB）激光器锁定到稳定后的微腔共振上。

集成测温原理与特性

研究团队设计了一种创新的集成测温方案，其核心是在高Q值微腔正上方放置一个薄膜铂电阻。该电阻利用金属固有的温度依赖性电阻率，可作为高灵敏度温度传感器。由于薄膜电阻的热容量极低，其附近热流的微小波动就会导致温度显著变化，从而通过简单测量电阻值即可实时监测芯片温度。研究人员还使用了第二个相同结构的电阻作为加热器，实现了仅基于电阻温度计的主动稳定，完全避免了光学探测的需求。

电阻温度计的电流-电压-电阻（I-V-R）特性测量显示，I-V关系呈现非线性特征，而电阻随电压呈二次方依赖性，表明电阻与耗散功率存在线性关系。这种行为类似于白炽灯泡，由于焦耳热导致的灯丝温度变化，在较低（较高）电压下呈现较低（较高）的电阻值。更重要的是，温度计电阻也随施加在第二个加热器上的电压呈二次方变化，证明外部热源引起的温度变化可以通过简单监测电阻来测量。

研究人员结合上述温度测量方案与扫描激光光学探针，对SiN微谐振腔波导模式的热光系数进行了快速原位测量。该微腔的自由光谱范围为76 GHz，负载Q值约为3×10⁶。测量结果显示，共振频率偏移与温度计电阻变化之间存在强相关性，通过线性拟合斜率提取出的SiN波导基本空间模式的热光系数为dn_eff/dT = 2.45×10^-5 K^-1。该值与采用其他技术测量的SiN热光系数一致，证明了该测量方法的可靠性。

长期频率稳定性表现

为了研究微腔的长期频率稳定性，研究团队设计了精密实验，使用压电控制的扫描探针激光器，每10秒记录一次微腔共振频率的绝对值，持续24小时。实验在三种条件下进行："自由运行"（仅受环境温度波动影响）、"开环"（通过电压求和电路施加额外扰动模拟共封装电子器件的热串扰）和"稳定"（基于电阻温度计的电压降，通过PID反馈主动稳定微腔温度）。

实验结果令人印象深刻：在无稳定情况下，环境噪声导致显著的共振漂移，标准偏差达341 MHz；施加额外扰动（ξ=7.55）后，开环情况下的标准偏差增至470 MHz；而在稳定情况下，即使存在相同强度的额外扰动，共振频率仍保持高度稳定，标准偏差仅为13.7 MHz，比开环情况降低了34倍。艾伦偏差（ADEV）分析进一步显示，稳定后的微腔ADEV显著低于自由运行和开环情况，且其平坦形状与纯1/f噪声密切匹配，表明环境和串扰扰动引起的无界随机游走共振频率漂移已被有效消除，残余波动仅受限于控制电子器件的噪声。

波长调谐的重复性与准确性

研究人员通过共振波长热测量查找表演示了微腔可调共振波长的长期重复性。通过一次性校准绝对共振波长与温度计电阻的关系，建立线性拟合关系后，即可在后续测量中通过热测量单独将腔调谐到校准范围内的任何所需绝对共振波长。

实验通过向现场可编程门阵列（FPGA）实现的热测量控制回路输入10，000个伪随机"目标"共振波长字符串，计算每个目标共振波长对应的所需温度计电阻，并将微腔稳定到计算温度。结果显示，校准后12小时进行的首组10，000次测量均方根误差（RMSE）为0.11 pm，而3天后进行的第二组测量仍保持相似的绝对波长误差窄分布，仅因接触电阻漂移产生系统误差，RMSE为0.77 pm。

激光频率稳定与克尔光频梳应用

研究团队进一步通过Pound-Drever-Hall（PDH）方法将微腔的频率稳定性传递到光纤耦合DFB激光器。锁定后的DFB激光器发射波长在50小时内保持在平均值±0.5 pm范围内，标准偏差为0.24 pm（即30 MHz），稳定性提升因子达48倍，性能优于许多商用的DFB和基于波长锁定器的激光系统。

最令人印象深刻的是克尔光频梳的稳定应用。研究人员通过快速调谐供给电阻温度计的电流，在微腔中生成孤子克尔光频梳，并研究其在外部噪声下的稳定性。在开环情况下（ξ=1.51），模式锁定的克尔光频梳几乎立即转变为混沌梳状态；而在稳定情况下（ξ=7.55），尽管噪声强度更高，PID校正电压仍能抵消施加的扰动，保持稳定的温度和梳功率，模式锁定状态可维持20分钟以上（仅受输入光纤到芯片光学耦合漂移的限制）。微波单边带（SSB）频率噪声谱测量显示，稳定情况下的噪声比开环情况低20 dB以上。

研究结论与展望

这项研究展示了一种基于全集成测温的强大新方法，可在无需任何光电探测的情况下稳定高Q值微腔的共振频率。热测量稳定有效缓解了环境和串扰引起的热扰动，提供了高度稳定的微腔，其残余频率波动仅受限于控制电子器件中的1/f噪声。

该技术的优势在于其通用性和简易性：一次性校准后，即可通过热测量控制将绝对共振波长调谐到校准范围内的任何所需值，且在校准后3天内仍保持高精度；通过将DFB激光器频率锁定到微腔，实现了发射波长在50小时内保持在±0.5 pm范围内的卓越稳定性；最重要的是，该方案成功稳定了克尔光频梳对抗强热扰动，为在噪声环境中可能无限期保持模式锁定的芯片基梳器件提供了可行路径。

尽管演示重点放在SiN微腔上，但该技术易于应用于其他电介质和半导体光子材料。消除稳定所需的下降端口和光电探测要求，可显著降低实用光子器件的设计复杂性和制备成本。这些概念还可应用于其他光子集成系统，包括微腔阵列和马赫-曾德尔干涉仪网格，用于拓扑光子学和光子计算。

这项研究为实现高度鲁棒且可现场部署的线性和非线性光子器件（用于经典和量子应用）以及可能无限期运行的集成克尔光频梳铺平了道路，标志着集成光子学频率稳定技术向前迈出了重要一步。