电子产品世界

电光与光子器件在集成度和性能方面已取得巨大进步。然而，它们存在一个棘手的特性（全电子器件同样如此）：其频率稳定性对温度变化与偏移极为敏感。当波长（频率）稳定性需要控制在纳米级及更小时，这一问题尤为严峻。

现有解决方案包括外部光学探测传感、使用珀尔帖加热 / 制冷器维持温度恒定等技术。当然，集成化、自稳定或漂移抵消方案是更理想的选择。

铂电阻一物两用

如今，哥伦比亚大学的研究团队提出了一项巧妙方案，将光子器件中已有的结构加以利用，实现双重功能。十多年来，许多此类器件在制造设计中均集成了一层铂薄膜。该铂层作为电阻使用 —— 通过改变施加在电阻上的电压，即可调节光子结构内部的谐振波长。

这种片上薄膜金属电阻通常用于对光子器件进行热调谐，使其达到目标谐振频率。但它同时也可以测量温度，进而为温度稳定 “闭环控制” 提供支持。这个简单且看似显而易见的思路此前一直被忽视，如今有望省去庞大且昂贵的外部温度传感器。

研究团队将商用分布式反馈（DFB）激光器频率锁定到这种谐振腔上，成功验证了光通信网络中对紧凑型光源需求的关键组件。他们实现了激光器波长稳定在目标值1 皮米以内，持续时间超过两天。

电阻充当集成式电阻温度计

该方案依靠直接放置在微腔上方的薄膜金属电阻，作为集成式电阻温度计使用，从而实现将谐振腔绝对谐振波长与温度计电阻值进行唯一映射（图 1）。（出于某些原因，研究人员并未使用 “铂 RTD”（电阻温度检测器）这一术语 ——RTD 是应用广泛、灵敏度高且精度优异的热电偶替代方案。）

图 1 应用测温技术稳定高 Q 值单片微谐振器

(a) 集成测温技术用于稳定高 Q 值单片微谐振器，抑制环境热源及同芯片上其他热调谐器件串扰带来的热波动示意图。通常用作微加热器的薄膜金属（铂）电阻，因金属本身具有温度依赖性电阻率，其电阻值随温度变化。由于薄膜电阻热容极低，其附近微小的热流波动即可引起显著温度变化，只需测量电阻便可实现片上温度实时监测。采用第二个完全相同的电阻作为加热器，仅通过电阻温度计即可完成主动稳定，无需使用光学探测进行稳定。(b) 本研究制备的电阻温度计 I–V–R 特性。I–V 测量值（浅蓝点）偏离线性趋势线（深蓝线），电阻（黄点）随温度计电压呈二次关系（紫线）。(c) 测得的温度计电阻（淡紫点）随（第二个）加热器两端施加电压同样呈二次关系（绿线），表明其与加热器耗散功率呈线性关系。(d) 自由光谱范围为 76 GHz 的高 Q 微腔谐振频率偏移（绿圈，由校准后的压电调谐探测激光器测得），以及温度计电阻测量变化值（金线），测试条件为加热器施加正弦扰动。腔体温和谐振频率呈现强负相关性。(e) 测得的谐振频率偏移与温度计测温结果的关系曲线，数据与 (d) 相同。线性拟合可原位测量腔波导基模热光系数。

该薄膜铂电阻被设计为具有显著的温度依赖电阻特性，用作集成电阻温度计可直接测量微腔温度，无需任何光电探测或其他集成非线性电子元件（如二极管、晶体管）。

由于薄膜电阻热容和热质量极低，微小热通量即可产生明显可测的温度变化。一个重要却不显而易见的考量是：铂对芯片基础清洗试剂和大气湿度具有化学稳定性，可保障器件寿命与长期重复性。

测试结果

研究团队使用第二个几乎相同的电阻作为加热器，仅依靠铂电阻温度计的测量数据实现主动稳定，从而省去了用于稳定的光学探测。经过一次校准后，仅通过测温即可精准、重复地将微谐振器调谐至目标绝对谐振波长，数天内波长均方根误差小于 0.8 皮米（图 2）。

图 2 仅通过测温将微谐振器调谐至目标绝对谐振波长

2. (a) 简化实验原理图：可调谐探测激光器经压电扫描扫过微腔谐振峰。通过在可调谐激光器与稳定参考激光器之间产生外差信号，并同时使用台式波长计监测参考激光器波长漂移，完成扫描绝对频率校准。外差拍频信号和谐振腔线型随压电扫描同步测量，由实时示波器连接计算机接口，每 10 秒周期性采集数据。当 ξ=1 时，加热器施加的伪随机扰动引起的腔谐振频率波动均方根值等于腔谐振半高全宽，本研究制备的微腔该值为 75 MHz。（BS = 分束器；BPF = 带通滤波器；PD = 光电二极管）(b) 自由运行（ξ=0）、开环（ξ=7.55）与闭环稳定（ξ=7.55）工作模式下，微腔校准谐振频率在 24 小时内的漂移情况。自由运行腔因实验室环境温度漂移呈现缓慢但显著的谐振频率漂移，开环腔则因引入扰动额外出现明显 “快速” 波动。在强烈环境与串扰扰动下，稳定后腔的谐振频率仍保持高度稳定。(c) 由 (b) 中数据计算得到的艾伦方差（ADEV）随平均时间变化曲线。稳定腔的艾伦方差远低于自由运行与开环模式。稳定腔的艾伦方差曲线形状符合 1/f 噪声特征，表明性能仅受控制电子器件限制。(d) 直方图：24 小时内微腔绝对谐振频率漂移落在 5 MHz 宽度频率区间内的时间占比（纵轴）。

团队将 DFB 激光器频率锁定在微腔上，实现频率漂移降低48 倍。在环境存在大幅波动的情况下，中心波长在 50 小时内保持在均值±0.5 皮米范围内。研究人员表示，该方案性能优于许多商用 DFB 及波长锁定激光系统。

这项工作有望在研发更经济、易用的电光光子器件方面迈出重要一步。他们发表在《Nature Photonics》上、可读性强的 12 页论文《基于集成测温技术的频率稳定纳米光子微腔》详细阐述了原理、设计、制备、方法与实验结果。

关键词： 温度漂移 光子器件 铂电阻