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集成微腔光频梳——突破激光脉冲重复频率限制的新技术
材料来源:中国光学期刊网           录入时间:2018/1/5 9:44:00

 

中国科学院西安光学精密机械研究所张文富研究员领导的微纳光子集成研究团队基于高折射率差光子集成平台制备出超高Q值微环谐振腔,通过泵浦自锁定技术,成功实现了宽带集成光学频率梳,并利用微腔非线性效应与选模机制,获得了稳定的超高重复频率多倍频(49-735 GHz)激光脉冲输出。

 

光学频率梳(简称光频梳)是具有确定光频梳齿间隔及频率的光频标尺,时域上为锁模激光脉冲序列,其发明是激光技术领域及计量科学领域在21世纪具有里程碑式重要意义的工作。受益于宽带精细光谱产生,光频梳在超高精度光钟、物理常数精密测量、类地星体/系外生命探测、电子运动的阿秒动力学测量,超精细光谱测量、光通信多波长光源等方面呈现出显著的技术优势和广阔的应用前景,同时也受到了来自国防科技、电子信息等领域的高度关注。

迄今为止,绝大多数光频梳的产生均基于气体、固体以及光纤脉冲激光。整体上,脉冲激光技术向着更短的激光脉冲和更高的脉冲重复频率(重频)等多个方向发展:在更短脉冲宽度方面,目前已经实现了47阿秒的光学脉冲;而在更高重频方面,实现重复频率大于100 GHz的稳定激光脉冲仍极具挑战。由于激光器的重频直接由腔长决定,而过短的激光腔无法得到足够增益,因此无法实现稳定的超高重频激光脉冲输出。近年来,一种新的基于微谐振腔的Kerr光频梳被提出并取得重要进展。由于其小型化以及超高重复频率的特点,有望在未来天文观测、集成微波光子源、RF任意波前产生、光通信、小型化光钟等领域产生重要应用。过去10年中,国际上关于Kerr微腔光频梳的研究取得了一系列重大突破,受限于工艺技术等条件,我国在此方向总体进展较为缓慢。

微纳光子集成团队B. E. Little张文富等开发了高折射率差光波导技术,成功研制出了高Q(>106)微环谐振腔。器件材料平台不仅与现有CMOS工艺相兼容、可满足未来大规模光子集成系统的发展需求,而且能够与现有商用光纤器件完全兼容,因此具备极强的技术优势及重要的现实意义。

1 基于高折射率差波导平台研制的高Q值微环谐振腔。(a) 结构示意图;(b) 模场分布;(c) TE/TM模式分布;(d) 谐振模式带宽特性(对应Q值为1.5×106)

 

得益于高Q值微腔内极高的场增强效应和超短腔长,当连续泵浦光耦合进微环谐振腔后,在较低泵浦阈值下即可通过四波混频效应实现高重复频率宽带光频梳输出,重频水平相比其他传统频梳系统可提升2~3个量级。西安光机所研究人员创新性地利用双泵浦自锁定激光系统和外腔调控技术,国际上首次实现了微腔光频梳以自由光谱范围(FSR)整数倍连续可调谐,产生了300 GHz~2.3 THz(6~46FSR)超高重复频率稳定光频梳。泵浦功率阈值为50 mW,频梳带宽超200 nm

2 重频可调的微腔光频梳光谱图

 

此外,研究人员将微环谐振腔嵌入环形光纤增益腔中,经四波混频效应使发射的各个光波长的相位相互锁定,并通过精密调谐光纤增益腔的长度,在微腔谐振模式与光纤腔模之间形成游标卡尺Venier)效应,从而能够实现激光器纵模自由精确选择;同时,在时域上则表现为微腔内均匀地复用了多个超短激光脉冲(类似于时分复用),最终获得了超高重频(49~735 GHz)激光脉冲输出。相关成果发表在ACS Photonics [4(7), 1677–1683 (2017)]。该技术不仅直接突破了传统脉冲激光器所面临的物理腔长限制,而且可以利用模式选择机制将基频激光脉冲进行多倍频,因此能够实现重频极高且整数倍连续可调的超短脉冲激光,并兼具低阈值、高稳定、小体积等独特优势,从而在未来超高速光子技术中具有广泛前景和重要价值。

 

3 基于微腔的超高重频激光脉冲倍频原理示意图

4 多倍频激光脉冲测试结果(左:光谱图;中:自相关曲线;右:频谱图)

 

该研究成果得到中国科学院战略性先导科技专项(B)和国家自然科学基金项目的支持,论文主要完成者为西安光机所王伟强博士,张文富研究员,B. Little博士、王擂然研究员、王屹山研究员、赵卫研究员,以及香港城市大学S. T. Chu博士等

 


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