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集成掺镱铌酸锂微环腔内的光孤子

2023-08-22

01 导读

近日，南开大学物理科学学院/弱光非线性光子学教育部重点实验室许京军教授、张国权教授、薄方教授团队与北京大学杨起帆助理教授、弗吉尼亚大学易煦副教授等合作研究，制备了掺杂镱离子的铌酸锂高品质因子微腔，实现了1064 nm波段激光器，并首次在掺杂镱离子的铌酸锂薄膜上在1550 nm波段捕获了亮孤子。这一工作拓展了微腔光孤子产生平台，为集成有源光频梳研究奠定了基础。

2023年7月14日，相关研究成果以“1550-nm Band Soliton Microcombs in Ytterbium-Doped Lithium-Niobate Microrings”为题，发表在Laser & Photonics Reviews上，第一作者是南开大学2019级博士生杨晨。

02 研究背景

光学频率梳提供了一种由等间距光谱分量组成的相干光源，在精密计量、光学时钟、量子态产生和微波合成等领域具有重要应用价值。光学频率梳可以通过飞秒锁模激光器、电光调制器或谐振器以及具有克尔非线性或光机械效应的微谐振器产生。微腔光学频率梳的产生原理是基于材料的非线性频率转换，与传统的锁模激光器相比，通常表现出高重复率和高集成度，成为光检测和测距、相干光通信、低噪声微波和天文光谱仪校准的合适候选者，这种小型化光频梳体系为集成光学、非线性光学等研究提供了良好的平台。

铌酸锂（LN）是一种人造介电材料，被誉为“光学硅”，透明窗口覆盖0.35μm~5μm，具有二阶、三阶光学非线性效应、电光、声光、压电等特性，是产生和调控微腔光频梳的重要非线性晶体材料。LN独特的光电调制和可调性对全光集成很有吸引力，基于周期极化铌酸锂的高效二次谐波，有望实现小型化光频梳的自参考。得益于先进的制备技术，宽带电光频率梳、二阶非线性光学频率梳、克尔光学频率梳和超连续谱已经在低损耗铌酸锂器件中得到验证，可实现低功耗、小尺寸以及出色的非线性性能。

在铌酸锂中掺杂稀土离子，结合了铌酸锂材料特性与片上器件增益能力，为激光器和光源的共集成提供了条件，激发了对基础物理和实际应用的更多研究兴趣，包括非线性光学和孤子动力学。最近，有源铌酸锂器件上表现出了新的特性和效果，扩展了基于铌酸锂薄膜的研究平台，例如微盘或微环激光器和波导放大器。尽管微腔光频梳已经在无源铌酸锂盘腔和环腔中得到证实，但尚未在稀土离子掺杂铌酸锂微腔中得到研究。

03 研究创新点

稀土掺杂的晶体材料有助于激光和光学频率梳的产生。在这项工作中，团队探索了镱离子掺杂铌酸锂谐振腔的激光和光频梳特性，包括色散设计、器件制备、激光性能表征以及孤子捕获等内容，这是首次在掺杂镱离子的微环腔中实现单孤子，稳定的单孤子态对于气体探测、微波合成、相干光通信、测距等应用具有重要意义。铌酸锂中掺杂镱离子，提高了材料折射率，同时改变了材料色散。结合掺镱铌酸锂薄膜材料色散及结构色散，研究团队进行色散调控，设计了净反常色散微环谐振腔（图1）。

图1 色散调控。（a）掺镱铌酸锂薄膜与非掺杂铌酸锂薄膜折射率对比。（b）产生孤子所用的掺镱铌酸锂微环腔与相同几何结构下非掺杂铌酸锂微环腔净色散的对比。

团队通过提拉法生长出掺杂镱离子的体块铌酸锂，并与济南晶正电子科技有限公司合作研发了掺镱铌酸锂薄膜。之后利用半导体工艺加工结构，首先通过电子束光刻法形成掩膜，其次用电感耦合等离子体工艺刻蚀铌酸锂形成脊形波导，最终在掺杂镱离子的铌酸锂薄膜上制备了品质因子接近2×10⁶的微环腔（图2（b））。

图2 器件制备。（a）南开大学团队生长的掺镱铌酸锂体材料（褐色虚线框内）。（b）高品质因子掺镱铌酸锂微环腔的扫描电子显微镜图片。

在980 nm波段泵浦下，于1060 nm波段研究了梳状激光器(图3（a）)，其对孤子的增益放大作用尚待探索。具有反常色散的基横电模式，在1550 nm波段片上泵浦功率75.7 mW激励下，产生了鲁棒的亮孤子，其脉宽约为44.5 fs，光谱包络覆盖1480 nm~1660 nm，有110条梳状线，重频为197.8 GHz（图3（b））。孤子的锁模可以通过掺镱铌酸锂薄膜的光折变效应来实现。修正的卢吉亚托-勒热方程的数值模拟预测了单孤子结果。这项工作扩展了微腔光梳产生平台，为增益腔光学孤子的产生奠定了基础，并提升了片上集成光梳的应用潜力。