電光與光子器件在集成度和性能方面已取得巨大進(jìn)步。然而，它們存在一個棘手的特性（全電子器件同樣如此）：其頻率穩(wěn)定性對溫度變化與偏移極為敏感。當(dāng)波長（頻率）穩(wěn)定性需要控制在納米級及更小時，這一問題尤為嚴(yán)峻。

現(xiàn)有解決方案包括外部光學(xué)探測傳感、使用珀爾帖加熱 / 制冷器維持溫度恒定等技術(shù)。當(dāng)然，集成化、自穩(wěn)定或漂移抵消方案是更理想的選擇。

鉑電阻一物兩用

如今，哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了一項巧妙方案，將光子器件中已有的結(jié)構(gòu)加以利用，實現(xiàn)雙重功能。十多年來，許多此類器件在制造設(shè)計中均集成了一層鉑薄膜。該鉑層作為電阻使用 —— 通過改變施加在電阻上的電壓，即可調(diào)節(jié)光子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的諧振波長。

這種片上薄膜金屬電阻通常用于對光子器件進(jìn)行熱調(diào)諧，使其達(dá)到目標(biāo)諧振頻率。但它同時也可以測量溫度，進(jìn)而為溫度穩(wěn)定 “閉環(huán)控制” 提供支持。這個簡單且看似顯而易見的思路此前一直被忽視，如今有望省去龐大且昂貴的外部溫度傳感器。

研究團(tuán)隊將商用分布式反饋（DFB）激光器頻率鎖定到這種諧振腔上，成功驗證了光通信網(wǎng)絡(luò)中對緊湊型光源需求的關(guān)鍵組件。他們實現(xiàn)了激光器波長穩(wěn)定在目標(biāo)值1 皮米以內(nèi)，持續(xù)時間超過兩天。

電阻充當(dāng)集成式電阻溫度計

該方案依靠直接放置在微腔上方的薄膜金屬電阻，作為集成式電阻溫度計使用，從而實現(xiàn)將諧振腔絕對諧振波長與溫度計電阻值進(jìn)行唯一映射（圖 1）。（出于某些原因，研究人員并未使用 “鉑 RTD”（電阻溫度檢測器）這一術(shù)語 ——RTD 是應(yīng)用廣泛、靈敏度高且精度優(yōu)異的熱電偶替代方案。）

圖 1 應(yīng)用測溫技術(shù)穩(wěn)定高 Q 值單片微諧振器

(a) 集成測溫技術(shù)用于穩(wěn)定高 Q 值單片微諧振器，抑制環(huán)境熱源及同芯片上其他熱調(diào)諧器件串?dāng)_帶來的熱波動示意圖。通常用作微加熱器的薄膜金屬（鉑）電阻，因金屬本身具有溫度依賴性電阻率，其電阻值隨溫度變化。由于薄膜電阻熱容極低，其附近微小的熱流波動即可引起顯著溫度變化，只需測量電阻便可實現(xiàn)片上溫度實時監(jiān)測。采用第二個完全相同的電阻作為加熱器，僅通過電阻溫度計即可完成主動穩(wěn)定，無需使用光學(xué)探測進(jìn)行穩(wěn)定。(b) 本研究制備的電阻溫度計 I–V–R 特性。I–V 測量值（淺藍(lán)點）偏離線性趨勢線（深藍(lán)線），電阻（黃點）隨溫度計電壓呈二次關(guān)系（紫線）。(c) 測得的溫度計電阻（淡紫點）隨（第二個）加熱器兩端施加電壓同樣呈二次關(guān)系（綠線），表明其與加熱器耗散功率呈線性關(guān)系。(d) 自由光譜范圍為 76 GHz 的高 Q 微腔諧振頻率偏移（綠圈，由校準(zhǔn)后的壓電調(diào)諧探測激光器測得），以及溫度計電阻測量變化值（金線），測試條件為加熱器施加正弦擾動。腔體溫和諧振頻率呈現(xiàn)強負(fù)相關(guān)性。(e) 測得的諧振頻率偏移與溫度計測溫結(jié)果的關(guān)系曲線，數(shù)據(jù)與 (d) 相同。線性擬合可原位測量腔波導(dǎo)基模熱光系數(shù)。

該薄膜鉑電阻被設(shè)計為具有顯著的溫度依賴電阻特性，用作集成電阻溫度計可直接測量微腔溫度，無需任何光電探測或其他集成非線性電子元件（如二極管、晶體管）。

由于薄膜電阻熱容和熱質(zhì)量極低，微小熱通量即可產(chǎn)生明顯可測的溫度變化。一個重要卻不顯而易見的考量是：鉑對芯片基礎(chǔ)清洗試劑和大氣濕度具有化學(xué)穩(wěn)定性，可保障器件壽命與長期重復(fù)性。

測試結(jié)果

研究團(tuán)隊使用第二個幾乎相同的電阻作為加熱器，僅依靠鉑電阻溫度計的測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)主動穩(wěn)定，從而省去了用于穩(wěn)定的光學(xué)探測。經(jīng)過一次校準(zhǔn)后，僅通過測溫即可精準(zhǔn)、重復(fù)地將微諧振器調(diào)諧至目標(biāo)絕對諧振波長，數(shù)天內(nèi)波長均方根誤差小于 0.8 皮米（圖 2）。

圖 2 僅通過測溫將微諧振器調(diào)諧至目標(biāo)絕對諧振波長

2. (a) 簡化實驗原理圖：可調(diào)諧探測激光器經(jīng)壓電掃描掃過微腔諧振峰。通過在可調(diào)諧激光器與穩(wěn)定參考激光器之間產(chǎn)生外差信號，并同時使用臺式波長計監(jiān)測參考激光器波長漂移，完成掃描絕對頻率校準(zhǔn)。外差拍頻信號和諧振腔線型隨壓電掃描同步測量，由實時示波器連接計算機接口，每 10 秒周期性采集數(shù)據(jù)。當(dāng) ξ=1 時，加熱器施加的偽隨機擾動引起的腔諧振頻率波動均方根值等于腔諧振半高全寬，本研究制備的微腔該值為 75 MHz。（BS = 分束器；BPF = 帶通濾波器；PD = 光電二極管）(b) 自由運行（ξ=0）、開環(huán)（ξ=7.55）與閉環(huán)穩(wěn)定（ξ=7.55）工作模式下，微腔校準(zhǔn)諧振頻率在 24 小時內(nèi)的漂移情況。自由運行腔因?qū)嶒炇噎h(huán)境溫度漂移呈現(xiàn)緩慢但顯著的諧振頻率漂移，開環(huán)腔則因引入擾動額外出現(xiàn)明顯 “快速” 波動。在強烈環(huán)境與串?dāng)_擾動下，穩(wěn)定后腔的諧振頻率仍保持高度穩(wěn)定。(c) 由 (b) 中數(shù)據(jù)計算得到的艾倫方差（ADEV）隨平均時間變化曲線。穩(wěn)定腔的艾倫方差遠(yuǎn)低于自由運行與開環(huán)模式。穩(wěn)定腔的艾倫方差曲線形狀符合 1/f 噪聲特征，表明性能僅受控制電子器件限制。(d) 直方圖：24 小時內(nèi)微腔絕對諧振頻率漂移落在 5 MHz 寬度頻率區(qū)間內(nèi)的時間占比（縱軸）。

團(tuán)隊將 DFB 激光器頻率鎖定在微腔上，實現(xiàn)頻率漂移降低48 倍。在環(huán)境存在大幅波動的情況下，中心波長在 50 小時內(nèi)保持在均值±0.5 皮米范圍內(nèi)。研究人員表示，該方案性能優(yōu)于許多商用 DFB 及波長鎖定激光系統(tǒng)。

這項工作有望在研發(fā)更經(jīng)濟、易用的電光光子器件方面邁出重要一步。他們發(fā)表在《Nature Photonics》上、可讀性強的 12 頁論文《基于集成測溫技術(shù)的頻率穩(wěn)定納米光子微腔》詳細(xì)闡述了原理、設(shè)計、制備、方法與實驗結(jié)果。