微腔光频梳研究进展 
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1 引言
光频梳是一种等距分布的梳状光谱结构,作为光谱分析的天然刻度,其频域上覆盖百THz带宽,同时兼具mHz量级频率精度,有效地提供了微波到光频的相干互联[1]。早期的光频梳通常由锁模激光器产生,锁模激光器体积大、功耗大、且对实验环境要求较高[2-3]。近年来,微纳光子学的飞速发展极大推动了光频梳的小型化。基于回音壁模式(WGM)微腔产生的克尔光频梳[4]的梳模间隔在GHz到THz量级,可通过色散工程实现倍频程光频梳的产生[5-6];此外,微腔的品质因子(Q)非常高,具有场增强效应,使得阈值功率大大降低[7];其有效模式体积微小,可克服传统光频梳的体积与功耗的矛盾,具有小型化优势,使单片集成光频梳发生器成为可能[8]。
微腔光频梳是伴随着微腔制造工艺的突破而新兴的研究领域。2003年,Armani等[9]利用激光熔融处理微环谐振腔外缘,制备出Q值高达108的微芯环腔,并于2004年观察到微腔内的光参量振荡[10]。基于同样的微腔结构,2007年,Del'Haye等[11]采用连续光泵浦的方式,首次实现了宽带微腔光频梳的产生。早期的微腔光频梳通常处于调制不稳定(MI)状态,相干性不高、稳定性不好,时域波形无法形成稳定的锁模超短脉冲[12-14],耗散克尔孤子(DKS)的出现很好地解决了这一问题。DKS的形成源于色散和非线性、损耗和参量增益的双重平衡。2014年,Herr等[15]首次在晶体腔中观察到DKS的形成,从此开启了孤子微腔光频梳研究的新篇章。与MI态微腔光频梳相比,孤子微腔光频梳带宽大、相干性高、稳定性好,不仅为光钟、超快测量、相干通信等领域提供了小型化平台,也包含着丰富且新颖的物理机理[16]。
本文重点聚焦于微腔光频梳,首先介绍微腔光频梳领域中的几种理论模型,然后报道孤子微腔光频梳的产生方法,接着阐述微腔光频梳物理机理及表征,随后介绍微腔光频梳的潜在应用,最后简要分析微腔光频梳的未来发展趋势,并对其前景进行展望。
2 微腔光频梳理论模型
微腔光频梳的产生基于四波混频(FWM)效应,与光学克尔效应相关[10],因此其也称作克尔梳。FWM过程可分为两类:简并FWM,对应相互作用的四个频率分量有两个相等;非简并FWM,对应相互作用的四个频率分量互不相同。满足适当的色散条件(通常为反常色散)时,微腔的纵模间可发生高效的FWM效应。利用单频连续光泵浦微腔,当泵浦功率超过特定阈值时,可通过简并FWM形成初级边带。其与泵浦光进一步通过级联FWM实现光谱的展宽,形成光频梳[4,11,17]。对于完全展宽的光频梳,泵浦光同样构成光频梳的一根梳线,光频梳的重复频率由微腔自由光谱范围(FSR)决定。目前,描述微腔光频梳动态过程的理论模型主要有三种,一是非线性耦合模理论,二是时域Lugiato-Lefever方程,三是频域Lugiato-Lefever方程。
2.1 非线性耦合模理论
2010年,Chembo等[18]基于麦克斯韦波动方程,推导得到了描述光在WGM微腔中传输的动态方程,即非线性耦合模方程。
式中:Aη为η阶模式的归一化电场;Δωη为η阶模式的线宽;g0为FWM增益;
非线性耦合模方程可描述微腔光频梳的演化过程,但是利用早期数值计算该方程时,需要在时域求解所需考虑的模式FWM关系,其计算时间正比于微腔模式数的三次方,因此难以计算模式数目超过几百个的情况[18]。2014年,Hansson等[19]在频域处理FWM项,使得仿真效率大大提升,此外提出的方法可高效地加入损耗和耦合系数的波长相关性影响,但进一步考虑非线性系数的波长相关性时,FWM耦合项数目与模式数目的三次方成正比,故其只适用于窄带光频梳的仿真。
2.2 时域Lugiato-Lefever方程
通过将描述波导的时域非线性薛定谔方程与微腔边界条件相结合,可得到包含泵浦、衰减、色散、耦合、非线性等因素的时域非线性薛定谔方程,即时域Lugiato-Lefever方程(LLE-TD)[20]。
式中:τ为快变时间,τ≤tR,tR为微腔环程时间;泵浦失谐量δ0=2πl-ϕ0,ϕ0为环程累计线性相位,l为距离泵浦光最近的谐振模式的阶数;L为微腔腔长;θ0为微腔耦合系数;αi0为微腔环程线性损耗;βk为泵浦频率处的k阶色散系数;γ0为有效非线性系数;Ein为连续光泵浦场。
2013年,Coen等[20]首次基于LLE-TD模拟了微腔光频梳动态仿真过程,仿真结果与实验结果非常吻合,且耗时短。尽管LLE-TD非常高效,但其通常只包含了传播常数的波长相关性。此外,自变陡项的引入可进一步加入有效模式面积的一阶波长相关性(即有效模式面积波长相关性的线性近似)[21]。直接对LLE-TD进行傅里叶变换,可引入所有参数的波长相关性,但会产生大量卷积项,增大了仿真复杂度且耗时长[22]。非线性耦合模方程和LLE-TD均无法高效地加入所有参数完整的波长相关性的影响,在宽带微腔光频梳的仿真中会引入较大失真。
2.3 频域Lugiato-Lefever方程
2020年,本课题组[23]将频域非线性薛定谔方程与微腔边界条件结合,得到频域Lugiato-Lefever方程(LLE-FD),其包含所有参数的全阶波长相关性。
式中:ω为角频率;ω0为泵浦角频率;αi(ω)为微腔环程线性损耗;θ(ω)为微腔耦合系数;Ein(ω)为连续光泵浦场;βk(ω0)为泵浦频率处的k阶色散系数;β(ω)为传播常数;γ(ω)为有效非线性系数;F为傅里叶变换符号;
与直接对LLE-TD进行傅里叶变换不同[22],LLE-FD避免了大量复杂的卷积项,其本身包含所有参数的全阶波长相关性,如损耗、传播常数、有效模式面积、非线性折射率系数和耦合系数等。当只考虑传播常数的波长相关性时,LLE-FD可简化为LLE-TD。
基于LLE-FD模型,本课题组分别研究了传播常数、有效模式面积和非线性折射率的波长相关性对微腔光频梳的影响。这三个参数的波长相关性都会引起光谱强度分布的变化,其中,有效模式面积和非线性折射率的波长相关性会确定性地引起光谱蓝移,而传播常数的波长相关性会决定色散波的产生。
LLE-FD模型可精确预测色散波及色散波边带的频率,对f-2f自参考技术具有重要意义;且具有普适性,适用于各种微腔结构,与实际情况更为契合,对器件设计具有重要指导意义;且为动态研究微腔光频梳的产生提供了更可靠的途径。
3 孤子微腔光频梳产生方法
孤子微腔光频梳的出现为一系列的应用带来了革命性的改变,而孤子的确定性产生是这些实际应用的先决条件。目前,多种材料平台已实现孤子微腔光频梳的产生,包括氟化镁(MgF2)[15,24]、二氧化硅(SiO2)[7,25-27]、氮化硅(Si3N4)[28-31]、硅(Si)[32]、高折射率二氧化硅(Hydex)[33-35]、氮化铝(AlN)[36]、铌酸锂(LiNbO3)[37]、砷化铝镓(AlGaAs)[38]。
3.1 频率调谐方案
快速调谐泵浦激光的频率,可在热效应加热微腔前使泵浦光进入谐振峰的红移失谐范围,从而降低热效应的影响。通常情况下,频率调谐速率由热响应时间、微腔Q值和泵浦功率共同决定[15,23,39,41-44]。2014年,Herr等[15]基于快速频率调谐,利用MgF2晶体腔,首次实现了孤子微腔光频梳的产生,实验装置如
正向调谐(增大泵浦波长)过程中,孤子微腔光频梳的产生需经历高功率调制不稳定态,导致产生的孤子数目随机不可控。保持泵浦参数不变,
得到稳定的多孤子后,通过反向调谐,即减小泵浦波长,可实现孤子数目减少,如
频率调谐是用于孤子产生的最早也是最常用的方案。控制泵浦光扫频速率及范围,可使孤子态产生时微腔处于热平衡状态,泵浦光扫频速率由热响应时间决定,且需选择合适的扫频范围以使泵浦光最终波长处于稳定的孤子存在范围内。对于热响应时间在μs或亚μs量级的微腔,受限于激光器的调谐速率及调谐频率精度,利用激光器直接进行频率调谐时无法平衡微腔热效应,难以激发孤子微腔光频梳[42]。为了进一步提升泵浦频率调谐速率,利用额外的调制器,基于单边带载波抑制调制实现快速频率调谐,已在Si3N4及AlN平台实现孤子的稳定产生,其孤子台阶持续时间仅为几十到几百ns[46-47]。此外,通过额外的功率调谐,利用声光调制器在泵浦光靠近谐振峰时降低泵浦功率,在泵浦光进入孤子存在范围时增大泵浦功率,并利用电光调制器,在泵浦光扫过谐振峰中心时加一瞬时功率突降,也可抑制扫频过程中热效应导致的谐振偏移,实现孤子的稳定产生[42,48]。
图 3. 频率调谐方案。(a)频率调谐方案实验装置[15];(b)微腔透射功率曲线[15];(c)初级梳线、亚梳及调制不稳定状态的微腔光频梳光谱[15];(d)多次正向调谐对应的微腔透射功率曲线叠加[31];(e)正向和反向调谐过程微腔透射功率曲线[31];(f)多孤子光谱[15];(g)单孤子光谱,插图为拍频所得射频信号[15]
Fig. 3. Frequency tuning scheme. (a) Experimental setup of frequency tuning scheme[15]; (b) transmission power curve of microcavity[15]; (c) microcavity optical frequency comb spectra of primary comb, sub-comb, and MI state[15]; (d) superposition of transmission power curves of microcavity corresponding to multiple forward tuning[31]; (e) transmission power curves of microcavity during forward and reverse tuning [31]; (f) spectrum of multi solitons[15]; (g) spectrum of one soliton, inset shows the radio frequency signal from beat frequency[15]
3.2 热调谐方案
通过热调谐方案控制微腔谐振频率,同样可改变泵浦光有效失谐量,从而产生孤子微腔光频梳[29,49]。利用固定频率的窄线宽激光器泵浦微腔,通过调谐片上热电极电流,基于热光效应改变波导折射率,从而实现微腔谐振频率的快速调谐。减小热电极电流时,微腔温度降低,微腔谐振峰蓝移靠近泵浦光,整个过程与泵浦频率调谐相似,所得微腔透射功率曲线同样呈现谐振展宽现象。
热调谐方案本质上与频率调谐方案等效,两者相比,热调谐方案中所用固定频率激光器线宽更窄、噪声更低,因此基于热调谐方案产生的孤子微腔光频梳性能更好。此外,固定频率激光器尺寸小、集成工艺更成熟,进一步推动了全片上孤子微腔光频梳的发展[8,50]。
3.3 辅助光热补偿方案
热效应导致泵浦光在微腔谐振红移失谐区域难以达到热平衡,阻碍了孤子微腔光频梳的稳定产生,电子科技大学的周恒课题组和中国科学院西安光学精密机械研究所的张文富课题组提出利用辅助光对微腔热效应进行补偿[34,51]。频率调谐过程中,泵浦光和辅助光与微腔谐振峰的相对位置如
图 4. 辅助光热补偿方案[51]。(a)辅助光热补偿方案原理,箭头表示扫频过程泵浦光及辅助光位置;(b)泵浦光、辅助光及产生的微腔光频梳透射功率曲线
Fig. 4. Auxiliary photothermal compensation scheme[51]. (a) Principle of auxiliary photothermal compensation scheme, the arrows indicate the position of pump and auxiliary laser during the frequency tuning; (b) transmission power curves of pump light, auxiliary light, and generated microcavity comb
基于熔融石英微柱谐振腔,同样验证了辅助光的热补偿效果,实验中,辅助光波长设置在1.3 μm附近,与泵浦光同向传输。对于直径为1.3 mm的微柱腔,泵浦功率为3 mW时可产生稳定的单孤子;对于直径为230 μm的微柱腔,泵浦功率为780 μW时可得到稳定单孤子。此外,实验验证了辅助光热补偿方案使孤子存在范围从100 kHz扩展至10 MHz,提高了2个数量级[7]。
除了上述平台,在高折射率掺杂石英玻璃微环中,利用辅助光热补偿方案同样实现了孤子微腔光频梳的稳定产生[34],进一步验证了该方案的有效性和普适性。本课题组基于该方案,首次在正热折射率系数平台实现了孤子自启动及双向转换,且其具有普适性,适用于现有各种微腔光频梳产生平台,有效解决了孤子激发的难题。
3.4 光折变效应方案
传统的微腔光频梳产生平台(如Si
反向调谐泵浦光,即初始情况下泵浦光处于谐振峰红移失谐处,减小泵浦波长,使其扫过谐振峰,整个过程中微腔透射功率演化如
正向调谐泵浦光,即初始情况下泵浦光处于谐振峰蓝移失谐处,增大泵浦波长,使其扫过谐振峰,整个过程中微腔透射功率演化如
此外,反向调谐过程得到较高数目孤子态时,再正向调谐泵浦光,可实现孤子数目的减少,如
图 5. 光折变效应[37]。(a)反向调谐过程微腔透射功率曲线;(b)正向调谐过程微腔透射功率曲线;(c)孤子自启动和双向转换的实验结果
Fig. 5. Photorefractive effect[37]. (a) Transmission power curve of microcavity in reverse tuning process; (b) transmission power curve of microcavity in forward tuning process; (c) experimental results of soliton self starting and bidirectional conversion
3.5 自注入锁定方案
通常情况下,孤子微腔光频梳的产生需要窄线宽可调单频激光器作为泵浦,而常用的光纤激光器或外腔半导体激光器体积大,不利于单片集成。自注入锁定方案很好地推动了光频梳的小型化发展,可以通过将MgF2晶体腔与法布里-珀罗(F-P)半导体激光器相结合来实现[52]。这里高Q微腔具有两个作用:一是通过自注入锁定选择激光器激射模式并进一步减小泵浦线宽[53-54],二是作为非线性克尔介质产生孤子微腔光频梳。通过调谐F-P半导体激光器驱动电流,可调谐激射频率,从而实现孤子微腔光频梳的产生。由于背向反射时间小于热响应时间,激射频率随热效应导致的谐振峰偏移发生变化[52],使得产生的孤子稳定存在,且不再需要精确的频率调谐。
微腔的高Q特性不仅有利于泵浦频率的锁定,也进一步降低了孤子微腔光频梳产生所需的泵浦功率。通过Ⅲ-Ⅴ族激光器与Si3N4微环的混合集成,首次实现了电池驱动的片上微腔光频梳源[8]。此外,基于自注入锁定方案,只需控制泵浦激光器的开与关,而无需其他的光电控制单元,即可实现孤子微腔光频梳的产生,称为启钥[55]。自注入锁定方案有效解决了孤子产生的难题,使其不再需要复杂的调谐过程或反馈控制回路,推动了孤子微腔光频梳的实用化发展。目前,受限于集成半导体激光器的泵浦功率,全片上微腔光频梳源产生的孤子带宽在几十纳米范围。随着激光器领域的进展,未来有望实现更大带宽的集成微腔光频梳源。
3.6 脉冲泵浦方案
除了窄线宽连续光激光器,时域脉冲源也可作为泵浦来产生孤子微腔光频梳[26,56-58]。泵浦脉冲源的重频与微腔环程时间匹配,且泵浦失谐合适时,可输出孤子微腔光频梳,产生的飞秒孤子叠加在输入脉冲上[26]。与连续光泵浦相比,脉冲泵浦情况下,产生的孤子与泵浦光在时域上重叠更大,因此泵浦转换效率更高。基于光纤F-P微腔,首次实验验证了脉冲泵浦方案的可行性[26]。实验中,利用调制器级联产生泵浦脉冲源,通过控制射频(RF)频率及连续光(CW)激光器频率,可分别实现脉冲源重频及载波包络偏移频率的调谐。调谐脉冲源重频与微腔环程时间相匹配,且载波包络偏移频率进入孤子存在范围时,可实现孤子微腔光频梳的产生,其中,泵浦附近的光谱存在凹陷或凸起,这是脉冲源与产生的孤子干涉导致的。由于产生孤子的重频由泵浦脉冲重频决定,通过调谐泵浦脉冲重频,可实现孤子重频的控制。对于FSR为9.77 GHz的光纤F-P微腔,其产生的孤子重频可调谐范围为9.77 GHz-50 kHz~9.77 GHz+50 kHz。
随后,脉冲泵浦方案在MgF2晶体腔及片上Si3N4微环中也相继得到了验证[58]。对于FSR为9.716 GHz的Si3N4微环,其产生的孤子重频可调谐范围为9.716 GHz-10 MHz~9.716 GHz+10 MHz。通过微腔孤子与泵浦脉冲源的锁定,可实现微腔光频梳重频及载波包络偏移频率的全光控制,因此将孤子微腔光频梳锁定到稳定的频率标准上,可进行高精度测量,具有广泛应用。锁定的天文梳已实现径向速度精度为25 cm/s的精确校准[57]。此外,通过将微腔光频梳锁定到原子跃迁上,已实现光频波动在几秒内为kHz量级,且单日波动小于1 MHz[59]。
基于脉冲泵浦方案产生的孤子的性能由泵浦脉冲源的重频、脉宽以及微腔本征参数(如色散、Q值等)共同决定。通过控制脉冲源的重频,可对产生的孤子重频进行调谐;通过控制脉冲源的脉宽,可对泵浦转换效率进行调谐。目前,脉冲泵浦方案产生的孤子的重频仍受限于电光调制器的带宽,然而通过亚谐波或分数阶谐波脉冲泵浦,可得到重频倍增的孤子微腔光频梳[57];此外,对泵浦脉冲源进行脉冲压缩,可进一步提升泵浦转换效率,降低孤子阈值功率。
3.7 压电控制方案
受限于热响应时间,基于热电极产生的集成微腔光频梳的驱动带宽被限制在10 kHz;而利用分离的调制器可实现MHz量级的驱动带宽。近期,通过将AlN压电传动装置集成在超低损耗Si3N4光子回路上,实现了压电控制的孤子微腔光频梳,其调谐带宽在MHz量级[60]。AlN压电传动装置功耗仅为300 nW,可双向调谐,线性度好。通过改变加载在AlN压电传动装置上的电压,可调谐微腔谐振频率,从而调谐泵浦光与谐振峰的有效失谐量,实现孤子的产生。
此外,通过同步调谐激光器及微腔(基于压电效应),可实现微腔光频梳光频的频移,且频移量超过孤子存在范围,可用于激光雷达应用中。
4 微腔光频梳物理机理及表征
4.1 微腔光频梳物理机理
微腔光频梳的产生过程包含丰富的非线性物理机理,如
1) 拉曼效应:拉曼非线性会引起孤子微腔光频梳的光谱红移,称为孤子自频移[43,61],满足特定条件时,其可作为斯托克斯孤子再生的增益介质[62]。
2) 高阶色散:高阶色散可诱导色散波产生,使得孤子微腔光频梳光谱存在局部增强,类似于切伦科夫辐射[5-6,28,63]。
3) 模式耦合:不同横向模式间的相互作用也会引起色散波的形成,从而影响孤子动态产生过程[64-68]。
4) 呼吸子:孤子微腔光频梳处于呼吸态时,称为呼吸子,其脉宽和光谱带宽经历周期性调制,该过程通常伴随着强的背景光[66,69-71]。
5) 多孤子形态:微腔内存在多个孤子时,可形成孤子分子[72]、孤子晶体[73-75]及空分复用孤子[76-77]等。此外,可通过级联方式同步不同微腔产生的孤子[78]。
6) 暗孤子:与反常色散微腔中的亮孤子相比,正常色散微腔中存在局部色散波动时,可产生暗孤子,其具有高的泵浦转换效率[79]。
7) 谐波产生:基于谐波产生,二阶和三阶非线性效应可进一步实现孤子微腔光频梳的光谱展宽,这对自参考微腔光频梳具有重要意义[37]。
4.2 微腔光频梳表征
微腔光频梳中丰富的物理机理需要有效的实时测试手段来进行表征研究。目前,微腔光频梳的表征主要可分为光谱、时域波形及射频谱三类:光谱表征直观反映微腔光频梳的不同频率或者波长处的强度分布,可表征图灵环、MI态及孤子态等特征明显的光谱;时域表征的是微腔光频梳随时间变化的波形,可直接观测克尔梳的孤子数量和孤子态间的演化过程,得到光频梳随时间的变化规律;射频谱表征的是微腔光频梳拍频所得强度谱,反映了热噪声、相位噪声、机械噪声等丰富的信息。
4.2.1 光谱表征
通常情况下利用光谱仪进行光谱表征。目前的主流是采用基于机械扫频的光栅光谱仪,其测量带宽可高达数百nm,分辨率在0.01 nm,然而受限于机械扫描速率,其帧率一般在Hz量级,因此只能得到静态结果。当采用CCD阵列时,速率可提升到kHz量级,但分辨率会劣化。通过稳态光谱测量,可直观地区分图灵环、MI及孤子等状态,如
为了克服光栅光谱仪的速率限制,可以采用电学方法进行光谱强度探测。以呼吸子的动态特性表征为例,由于光谱仪只能进行光谱静态测试,因此微腔光频梳经滤波以滤出特定波长梳线后,通过高速探测器转换成电信号,输入到示波器记录其梳线强度的变化。呼吸子在光谱仪上呈现的光谱为近三角形状[69],如
4.2.2 时域表征
时域表征测试微腔光频梳的时域波形,可以直观地反映光频梳的时域状态及演化过程。最早最常用的方法是自相关法,光频梳从微腔输出后直接接入自相关仪,自相关仪对其稳态时域波形进行记录。自相关法利用多次重复的测量可获得完整的高时间分辨(fs)量级的时域波形,但它是一种间接测量方式,需要通过解相关算法得到脉宽,其要求脉冲在测量周期内具有高度稳定性,只能进行稳态光频梳的时域表征,无法监控光频梳产生过程中的动力学过程。此外它受限于机械延时线,测量速率在kHz量级。
此外,双光梳探测法也可用于时域表征,它是一种互相关法,利用电光调制法产生另一个稳定的光频梳,该光频梳和待测光频梳的重频存在微小偏差,因此可以利用重频差实现自动延时测量。该方法可将测量帧频提高到重频差频量级,即MHz(μs)量级。同时还可以测量幅度和相位。但该方法受限于异步光采样原理,本质上还是要求待测光梳在测量时间内保持稳定不变。因此它是一种重复采样测量,不能应用于微腔光频梳的连续环程测量,即不能测量孤子动态过程。基于双光梳探测法,记录的光频梳从MI态到多孤子态再到单孤子态的演化过程如
图 7. 微腔光频梳光谱表征。(a)初级梳线、亚梳及MI态静态光谱[15];(b)单孤子、双孤子及五孤子静态光谱[15];(c)呼吸子静态光谱[69];(d)呼吸子光谱中心及两翼梳线强度变化[69]
Fig. 7. Spectral characterizations of microcavity optical frequency comb. (a) Static spectra of primary comb, sub-comb, and MI state[15]; (b) static spectra of single-soliton, dual-soliton, and five-soliton[15]; (c) static spectrum of breather[69]; (d) intensity evolution of comb line at center and wing for breather[69]
图 8. 微腔光频梳时域表征。(a)自相关仪的测试结果[14];(b)FROG法的测试结果[80];(c)双光梳探测的测试结果[81];(d)时域放大系统的测试结果[83]
Fig. 8. Temporal characterizations of microcavity optical frequency comb. (a) Measured results of autocorrelator[14]; (b) measured results of FROG method[80]; (c) measured result of dual-comb detection[81]; (d) measured results of temporal magnified system[83]
时域放大法可对时域波形进行实时观测,通过时域放大系统对光频梳脉冲进行时域拉伸后,利用探测器和实时示波器进行采集分析[15,82]。该方法可克服电学转换法带宽受限的缺点,将时域分辨率提升至百fs量级。受限于时域放大系统内的高阶色散带来的误差,该方法的连续观测窗口通常在100 ps量级。本课题组通过大有效面积光纤消除前置色散和泵浦色散中的高阶色散,同时基于参量过程来消除输出色散中的高阶色散,将时域放大窗口扩大到1.4 ns,且时域分辨率为580 fs,实现无像差时域观察。基于无像差时域放大系统,成功观测到孤子湮灭及孤子碰撞融合过程,如
4.2.3 射频谱表征
微腔光频梳射频谱表征中,通常利用高速光电探测器将光频梳光谱转换成电信号,再输入到电学频谱仪中进行表征。根据测得的低频噪声[14],如
基于交叉相位调制的全光射频谱分析(LISA)系统实现了THz量级的带宽和MHz量级的分辨率[84],可还原稳态微腔光频梳完整的射频谱信息,如
图 9. 微腔光频梳射频谱表征。(a)单频泵浦、MI态及孤子态时,电谱仪测得的低频噪声[14];(b)孤子态时,电谱仪测得的基频噪声[15];(c)LISA系统测得的射频谱[35];(d)MI态及孤子态时,LISA系统测得的高次谐波演化[85]
Fig. 9. RF spectral characterizations of microcavity optical frequency comb. (a) Low frequency noise measured by electric spectrum analyzer for single frequency pump, MI state and soliton state[14]; (b) fundamental frequency noise measured by electric spectrum analyzer for soliton state[15]; (c) RF spectrum measured by LISA system[35]; (d) harmonic evolution measured by LISA system for MI state and soliton state[85]
5 微腔光频梳应用
孤子微腔光频梳的发展给一系列应用带来了新的革新,这里给出几个典型应用,如
1) 光钟:孤子微腔光频梳提供了微波域到光频的相干连接,可将光频锁定到稳定的原子跃迁上,实现光钟的产生。利用双光梳可进一步提高功率效率[86-87]。
2) 相干通信:孤子微腔光频梳的梳线完全等距,且具有高相干性,可作为波分复用中的多波长源,用于大数据传输,目前已实现高达50 Tbit/s的传输速率[88-89]。
3) THz信号产生:通过完美时域泰伯效应与孤子微腔光频梳的结合,本课题组实现孤子重频的完美倍增,用于高品质THz信号的产生,目前已实现高达980 GHz的信号[35]。
4) 光频合成:与光钟的工作原理相反,光频合成基于孤子微腔光频梳进行频率的上转换,利用稳定的微波源产生光信号[90]。
5) 光谱学:基于微腔光频梳的FWM方案,本课题组实现了大带宽(2.5 THz)、高分辨率(2 MHz)和高速率(200 Hz)的光谱测试[91]。此外,双光梳光谱学在化学传感应用中占有重要地位,而孤子微腔光频梳的出现使得双光梳传感应用的小型化成为可能[92-95]。借助于额外的可调谐激光器,可进一步提高光谱分辨率[96]。
6) 激光雷达:双光梳干涉可用于分辨亚微米量级的距离变化,实现片上激光雷达源[97-98]。
光频梳的稳定性和频率精度决定了其在实际应用中的表现,通过对两个特征参数(重复频率fr和载波包络偏移频率f0)进行锁定,可实现光频梳的锁定[1,99]。当光频梳重复频率在电学带宽内时,可直接对其拍频实现重复频率fr的提取,而载波包络偏移频率f0的提取通常依赖于f-2f自参考技术[100-101]。该技术要求光频梳光谱覆盖一个完整的倍频程,滤取低频处梳线fN进行倍频,并与高频梳线
6 结束语
孤子微腔光频梳的实现代表了材料学、物理学及工程技术的成功融合。受益于小尺寸、低功耗、高重频及高相干性等优势[16],孤子微腔光频梳展现了巨大潜能,是下一代光源的有力竞争者。目前,各种技术方案已基本突破孤子产生的难题。同时,伴随着高阶色散、拉曼效应、模式耦合、呼吸子等非线性物理机理的研究,人们对孤子微腔光频梳的动力学过程有了更深一步的理解。
尽管孤子微腔光频梳已为多种领域带来革命性的改进,其目前仍处于概念验证实验阶段。从工程应用的角度出发,孤子微腔光频梳的发展应着力于实现孤子自启动、提升集成度及提高转换效率。片上微腔的热响应时间通常在微秒量级,超快的热效应为孤子自启动带来了巨大挑战,然而LiNbO3中光折变效应及辅助光热补偿方案很好地解决了这一难题。此外,单片/混合集成的微腔光频梳源是光频梳实用化的前提,核心在于提升微腔Q值。与光纤相比,微腔的传输损耗仍高几个数量级,有待进一步优化微纳制造工艺,降低损耗。近期,氮氧化硅平台已实现超过108的超高Q值[106-108],且氧化硅平台已实现超过109的超高Q值[108],使得微腔光频梳的阈值功率降低至亚μW量级。另外,提升泵浦转换效率[109-110]同样有利于功耗的降低。目前,已通过多种方式实现了更高的泵浦转换效率,如自注入锁定[111]、环腔耦合[112]、脉冲泵浦[58]以及泵浦回收[109]等方式,其中泵浦回收方案可实现接近100%的转换效率。
值得注意的是,目前微腔光频梳的研究仍主要集中于通讯波段。尽管可见光及中红外波段在分子光谱学及化学生物传感等领域具有重要意义,这些波段的光频梳产生仍面临巨大挑战。目前,可见光波段单孤子带宽仍受限制[111],还未报道过中红外波段下单孤子微腔光频梳的产生。通过改进现有平台和探索新材料,有望进一步扩大微腔光频梳的光谱覆盖范围,充分发挥其潜力[107]。综上,孤子微腔光频梳有望作为下一代集成光源,为各个领域带来革命性发展。
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