经典温度传感器实现光子激光腔稳频

电光与光子器件在集成度和性能上已取得巨大进步。但它们存在一个棘手问题（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甚至更小时，这一挑战尤为突出。

现有解决方案包括通过探测实现外部光学传感、使用珀尔帖加热 / 制冷器维持温度恒定等。当然，更理想的方案是集成化、自稳频或漂移抵消技术。

铂电阻一器两用

如今，哥伦比亚大学研究团队提出了一项巧妙方案：将光子器件中已有的结构进行复用。十多年来，许多此类器件在制造时都会集成一层铂薄膜。该铂层作为电阻使用 —— 通过改变施加在电阻上的电压，即可调控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，进而为温度稳定形成 “闭环控制”。这个简单且看似显而易见的思路此前一直被忽视，而它有望省去体积庞大、成本高昂的外置温度传感器。

研究团队将商用分布式反馈（DFB）激光器锁频至这类谐振腔，成功验证了光通信网络中对紧凑型光源有严格要求的关键组件。他们让激光器波长稳定在目标值的皮米级误差范围内，并持续运行超过两天。

电阻充当集成式电阻测温仪

该方案将薄膜金属电阻直接置于微腔上方，作为集成电阻测温仪使用，从而建立起微腔绝对谐振波长与测温仪电阻之间的唯一对应关系（图 1）。（出于某些原因，研究人员并未使用 “铂 RTD” 即电阻温度检测器这一术语 ——RTD 是一种应用广泛、灵敏度高且精度优异的热电偶替代方案。）

图1 (a) 集成测温技术用于稳定高 Q 值单片微谐振器的原理示意图，该技术可抑制由环境热源以及同一芯片上其他热调谐器件串扰所引发的热波动。通常用作微加热器的薄膜金属（铂）电阻，因金属本身具有与温度相关的电阻率，其电阻值会随温度变化。由于薄膜电阻热容较低，其附近微小的热流波动即可引起显著的温度变化，因此只需测量电阻阻值便可实现片上温度的实时监测。研究团队使用第二个完全相同的电阻作为加热器，仅依靠该电阻测温仪即可完成主动稳频，从而不再需要通过光学探测来实现稳定控制。(b) 本文所制备的电阻测温仪的 I–V–R 特性曲线。I–V 测量值（浅蓝色点）偏离线性趋势线（深蓝色线），而电阻值（黄色点）与测温仪电压呈二次函数关系（紫色线）。(c) 实测的测温仪电阻（淡紫色点）与施加在第二个加热器两端的电压同样呈二次函数关系（绿色线），表明电阻与加热器耗散功率呈线性相关。(d) 在通过加热器施加正弦扰动的条件下，利用经过校准的压电调谐探测激光器测得的自由光谱范围为 76 GHz 的高 Q 微腔谐振频率偏移（绿色圆圈），以及测温仪电阻的变化曲线（金色线）。腔体温和谐振频率呈现出强烈的负相关性。(e) 基于 (d) 中相同数据绘制的实测谐振频率偏移随测温仪测得温度的变化关系。线性拟合结果可原位测得腔体波导基模的热光系数。

薄膜铂电阻被设计为具有显著的温度电阻特性。它作为集成电阻测温仪，可直接测量微腔温度，无需任何光电探测模块或二极管、晶体管等其他集成非线性电子元件。

由于薄膜电阻热容和热质量极低，微小的热通量变化即可带来明显、可观测的温度变化。一个重要却容易被忽略的优点是：铂对芯片基础清洗试剂和环境湿度具有化学稳定性，可保证器件寿命与长期重复性。

测试结果

研究人员使用第二个几乎完全相同的电阻作为加热器，仅依靠铂电阻测温仪采集数据便实现了主动稳频，不再需要光学探测来完成稳定控制。经过一次标定后，仅通过测温即可精准、重复地将微谐振腔调谐至目标绝对谐振波长，在数天时间内波长均方根误差小于 0.8 皮米（图 2）。

他们将 DFB 激光器锁频至微谐振腔，实现了频率漂移降低 48 倍。在环境存在显著波动的情况下，50 小时内中心波长始终稳定在平均值 ±0.5 皮米范围内。研究团队表示，该方案性能优于许多商用 DFB 激光器及基于波长锁定的激光系统。