III-V/SiN混合雷射產生Few-GHz光梳：無需外部驅動的整合方案

降推動整合光頻梳走出實驗室

光梳（Optical Frequency Combs, OFCs）廣泛應用於分子光譜、LIDAR與光通訊系統，特別是密集波分多工（WDM）。目前OFC的晶片化整合已取得進展，但多數仍需外部雷射脈衝或電子驅動。為降低功耗與系統複雜度，研究者開始探索由整合式雷射自行產生的OFC。

本文探討一種基於III-V/SiN異質整合雷射的OFC生成機制，其重點在於透過四波混頻（FWM）、鬆弛振盪（Relaxation Oscillation）與非零線寬增益因子（Henry factor）所產生的非穩定單模態來激發多模頻率梳。

雷射結構：Vernier效應導入可控鏡面色散

該混合式雷射結構由InP系RSOA與SiN光子電路透過邊緣耦合方式整合。SiN波導上設有兩個耦合環形共振器，形成Vernier效應產生的等效反射率（reff），作為可調色散鏡面。雷射輸出從環形耦合器前段擷取，可透過相位調整區調控雷射頻率相對於reff的偏移位置。

模擬結果：Few-GHz間隔梳狀頻譜自發生成

使用時間域傳播波模型模擬RSOA內部的電場與載子分佈，並觀察其輸出功率與頻率變化。當注入電流達300 mA、reff頻寬為6 GHz時，雷射輸出出現明顯的振幅與頻率調變，對應到多模態頻率梳的生成。

低電流時為單模輸出，電流提高後，鬆弛振盪增強，與縱模間距共振產生多模輸出。在非零Henry factor與適當偏移reff位置下，轉換出的相位雜訊成為多模激發的關鍵，進而透過FWM實現模式鎖定。

模擬指出-20 dB頻寬可達100 GHz左右，受限於reff頻寬與模態競爭間的權衡：較窄的reff提供更佳濾波但限制可用模態數，過寬則降低鎖模效率。

頻梳品質驗證：相位與振幅雜訊分析

進一步分析各條頻率梳線的相對相位雜訊（β）與振幅雜訊（γ），所有位於-20 dB以內的頻線均呈現β < 0.1的低雜訊特性，證實為高品質的鎖模頻率梳。

結論

本研究展示了一種由III-V/SiN混合式外腔雷射自發生成Few-GHz間隔光梳的方式，具備下列特點：

• 不需外部脈衝或驅動電路即可生成高品質OFC；

• 利用Vernier效應設計等效鏡面色散，取代高Q共振腔需求；

• 可調式reff頻寬使頻梳帶寬與模式穩定性取得平衡；

• 定量雜訊分析確認所產生OFC具相位穩定性。

此一結構具潛力應用於相干通訊等實際場景，為低功耗、整合化光梳技術提供可行路徑。

參考資料

[1] C. Rimoldi, M. Novarese, L. Columbo, M. Gioannini, "Few-GHz Repetition Rate Frequency Combs in III-V/SiN External Cavity Lasers," Department of Electronics and Telecommunications, Politecnico di Torino, Torino, Italy, 2024.