電光與光子器件在集成度和性能上已取得巨大進(jìn)步。但它們存在一個(gè)棘手問(wèn)題（全電子器件同樣如此）：其頻率穩(wěn)定性對(duì)溫度變化與偏移極為敏感。當(dāng)波長(zhǎng)（頻率）穩(wěn)定性需要控制在納米級(jí)甚至更小時(shí)，這一挑戰(zhàn)尤為突出。

現(xiàn)有解決方案包括通過(guò)探測(cè)實(shí)現(xiàn)外部光學(xué)傳感、使用珀?duì)柼訜?/ 制冷器維持溫度恒定等。當(dāng)然，更理想的方案是集成化、自穩(wěn)頻或漂移抵消技術(shù)。

鉑電阻一器兩用

如今，哥倫比亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)巧妙方案：將光子器件中已有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)用。十多年來(lái)，許多此類器件在制造時(shí)都會(huì)集成一層鉑薄膜。該鉑層作為電阻使用 —— 通過(guò)改變施加在電阻上的電壓，即可調(diào)控光子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的諧振波長(zhǎng)。

這種片上薄膜金屬電阻通常用于對(duì)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(shí)也可以測(cè)量溫度，進(jìn)而為溫度穩(wěn)定形成 “閉環(huán)控制”。這個(gè)簡(jiǎn)單且看似顯而易見(jiàn)的思路此前一直被忽視，而它有望省去體積龐大、成本高昂的外置溫度傳感器。

研究團(tuán)隊(duì)將商用分布式反饋（DFB）激光器鎖頻至這類諧振腔，成功驗(yàn)證了光通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)緊湊型光源有嚴(yán)格要求的關(guān)鍵組件。他們讓激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定在目標(biāo)值的皮米級(jí)誤差范圍內(nèi)，并持續(xù)運(yùn)行超過(guò)兩天。

電阻充當(dāng)集成式電阻測(cè)溫儀

該方案將薄膜金屬電阻直接置于微腔上方，作為集成電阻測(cè)溫儀使用，從而建立起微腔絕對(duì)諧振波長(zhǎng)與測(cè)溫儀電阻之間的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖 1）。（出于某些原因，研究人員并未使用 “鉑 RTD” 即電阻溫度檢測(cè)器這一術(shù)語(yǔ) ——RTD 是一種應(yīng)用廣泛、靈敏度高且精度優(yōu)異的熱電偶替代方案。）

圖1 (a) 集成測(cè)溫技術(shù)用于穩(wěn)定高 Q 值單片微諧振器的原理示意圖，該技術(shù)可抑制由環(huán)境熱源以及同一芯片上其他熱調(diào)諧器件串?dāng)_所引發(fā)的熱波動(dòng)。通常用作微加熱器的薄膜金屬（鉑）電阻，因金屬本身具有與溫度相關(guān)的電阻率，其電阻值會(huì)隨溫度變化。由于薄膜電阻熱容較低，其附近微小的熱流波動(dòng)即可引起顯著的溫度變化，因此只需測(cè)量電阻阻值便可實(shí)現(xiàn)片上溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)使用第二個(gè)完全相同的電阻作為加熱器，僅依靠該電阻測(cè)溫儀即可完成主動(dòng)穩(wěn)頻，從而不再需要通過(guò)光學(xué)探測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。(b) 本文所制備的電阻測(cè)溫儀的 I–V–R 特性曲線。I–V 測(cè)量值（淺藍(lán)色點(diǎn)）偏離線性趨勢(shì)線（深藍(lán)色線），而電阻值（黃色點(diǎn)）與測(cè)溫儀電壓呈二次函數(shù)關(guān)系（紫色線）。(c) 實(shí)測(cè)的測(cè)溫儀電阻（淡紫色點(diǎn)）與施加在第二個(gè)加熱器兩端的電壓同樣呈二次函數(shù)關(guān)系（綠色線），表明電阻與加熱器耗散功率呈線性相關(guān)。(d) 在通過(guò)加熱器施加正弦擾動(dòng)的條件下，利用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的壓電調(diào)諧探測(cè)激光器測(cè)得的自由光譜范圍為 76 GHz 的高 Q 微腔諧振頻率偏移（綠色圓圈），以及測(cè)溫儀電阻的變化曲線（金色線）。腔體溫和諧振頻率呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)性。(e) 基于 (d) 中相同數(shù)據(jù)繪制的實(shí)測(cè)諧振頻率偏移隨測(cè)溫儀測(cè)得溫度的變化關(guān)系。線性擬合結(jié)果可原位測(cè)得腔體波導(dǎo)基模的熱光系數(shù)。

薄膜鉑電阻被設(shè)計(jì)為具有顯著的溫度電阻特性。它作為集成電阻測(cè)溫儀，可直接測(cè)量微腔溫度，無(wú)需任何光電探測(cè)模塊或二極管、晶體管等其他集成非線性電子元件。

由于薄膜電阻熱容和熱質(zhì)量極低，微小的熱通量變化即可帶來(lái)明顯、可觀測(cè)的溫度變化。一個(gè)重要卻容易被忽略的優(yōu)點(diǎn)是：鉑對(duì)芯片基礎(chǔ)清洗試劑和環(huán)境濕度具有化學(xué)穩(wěn)定性，可保證器件壽命與長(zhǎng)期重復(fù)性。

測(cè)試結(jié)果

研究人員使用第二個(gè)幾乎完全相同的電阻作為加熱器，僅依靠鉑電阻測(cè)溫儀采集數(shù)據(jù)便實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)穩(wěn)頻，不再需要光學(xué)探測(cè)來(lái)完成穩(wěn)定控制。經(jīng)過(guò)一次標(biāo)定后，僅通過(guò)測(cè)溫即可精準(zhǔn)、重復(fù)地將微諧振腔調(diào)諧至目標(biāo)絕對(duì)諧振波長(zhǎng)，在數(shù)天時(shí)間內(nèi)波長(zhǎng)均方根誤差小于 0.8 皮米（圖 2）。

他們將 DFB 激光器鎖頻至微諧振腔，實(shí)現(xiàn)了頻率漂移降低 48 倍。在環(huán)境存在顯著波動(dòng)的情況下，50 小時(shí)內(nèi)中心波長(zhǎng)始終穩(wěn)定在平均值 ±0.5 皮米范圍內(nèi)。研究團(tuán)隊(duì)表示，該方案性能優(yōu)于許多商用 DFB 激光器及基于波長(zhǎng)鎖定的激光系統(tǒng)。