電光與光子器件在集成度和性能上已取得巨大進步。但它們存在一個棘手問題（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。當波長（頻率）穩(wěn)定性需要控制在納米級甚至更小時，這一挑戰(zhàn)尤為突出。

現(xiàn)有解決方案包括通過探測實現(xiàn)外部光學傳感、使用珀爾帖加熱 / 制冷器維持溫度恒定等。當然，更理想的方案是集成化、自穩(wěn)頻或漂移抵消技術。

鉑電阻一器兩用

如今，哥倫比亞大學研究團隊提出了一項巧妙方案：將光子器件中已有的結構進行復用。十多年來，許多此類器件在制造時都會集成一層鉑薄膜。該鉑層作為電阻使用 —— 通過改變施加在電阻上的電壓，即可調控光子結構內部的諧振波長。

這種片上薄膜金屬電阻通常用于對光子器件進行熱調諧，使其達到目標諧振頻率。但它同時也可以測量溫度，進而為溫度穩(wěn)定形成 “閉環(huán)控制”。這個簡單且看似顯而易見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。

研究團隊將商用分布式反饋（DFB）激光器鎖頻至這類諧振腔，成功驗證了光通信網絡中對緊湊型光源有嚴格要求的關鍵組件。他們讓激光器波長穩(wěn)定在目標值的皮米級誤差范圍內，并持續(xù)運行超過兩天。

電阻充當集成式電阻測溫儀

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

圖1 (a) 集成測溫技術用于穩(wěn)定高 Q 值單片微諧振器的原理示意圖，該技術可抑制由環(huán)境熱源以及同一芯片上其他熱調諧器件串擾所引發(fā)的熱波動。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的電阻率，其電阻值會隨溫度變化。由于薄膜電阻熱容較低，其附近微小的熱流波動即可引起顯著的溫度變化，因此只需測量電阻阻值便可實現(xiàn)片上溫度的實時監(jiān)測。研究團隊使用第二個完全相同的電阻作為加熱器，僅依靠該電阻測溫儀即可完成主動穩(wěn)頻，從而不再需要通過光學探測來實現(xiàn)穩(wěn)定控制。(b) 本文所制備的電阻測溫儀的 I–V–R 特性曲線。I–V 測量值（淺藍色點）偏離線性趨勢線（深藍色線），而電阻值（黃色點）與測溫儀電壓呈二次函數(shù)關系（紫色線）。(c) 實測的測溫儀電阻（淡紫色點）與施加在第二個加熱器兩端的電壓同樣呈二次函數(shù)關系（綠色線），表明電阻與加熱器耗散功率呈線性相關。(d) 在通過加熱器施加正弦擾動的條件下，利用經過校準的壓電調諧探測激光器測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)出強烈的負相關性。(e) 基于 (d) 中相同數(shù)據(jù)繪制的實測諧振頻率偏移隨測溫儀測得溫度的變化關系。線性擬合結果可原位測得腔體波導基模的熱光系數(shù)。

薄膜鉑電阻被設計為具有顯著的溫度電阻特性。它作為集成電阻測溫儀，可直接測量微腔溫度，無需任何光電探測模塊或二極管、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量極低，微小的熱通量變化即可帶來明顯、可觀測的溫度變化。一個重要卻容易被忽略的優(yōu)點是：鉑對芯片基礎清洗試劑和環(huán)境濕度具有化學穩(wěn)定性，可保證器件壽命與長期重復性。

測試結果

研究人員使用第二個幾乎完全相同的電阻作為加熱器，僅依靠鉑電阻測溫儀采集數(shù)據(jù)便實現(xiàn)了主動穩(wěn)頻，不再需要光學探測來完成穩(wěn)定控制。經過一次標定后，僅通過測溫即可精準、重復地將微諧振腔調諧至目標絕對諧振波長，在數(shù)天時間內波長均方根誤差小于 0.8 皮米（圖 2）。

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