利用新型硅纳米结构波导实现克尔光频率梳

来源：中国激光

Jianhao Zhang, Vincent Pelgrin, Carlos Alonso-Ramos, et al. Stretching the spectra of Kerr frequency combs with self-adaptive boundary silicon waveguides[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(4): 046001

光频率梳具备诸如时域锁相、频谱离散等距等优点，尤其适用于集成光谱光源、片上计量、射频信号合成等应用。基于非线性光学克尔效应的光频率梳具有非常独特的物理特性，近二十年来在光学尤其是集成光学领域一直受到高度关注。

迄今为止，基于光学克尔效应的光频率梳主要通过氧化硅、氮化硅以及III-V族半导体材料平台来实现。相较之下，硅材料具有比氮化硅高约一个数量级的本征非线性系数，而且绝缘体上硅平台的折射率差（Δn≈2）非常可观，能够显著压缩光模斑和增强非线性作用。

然而，硅材料在近红外光波段存在强烈的多光子吸收和随之而来的自由载流子效应，同时高折射率差会带来的较大的波导色散。前者可以通过调整工作波段（至中红外）和耗尽载流子的办法来缓解，而后者往往会破坏微腔中动量和能量守恒条件在光宽带里的实现并且较难改善。对于光频率梳中常用的条型与脊型结构波导，其群速度色散曲线一般呈抛物线型。该情况下其高阶色散会导致一定范围之外的相位失配较为严重，从而使频率梳光谱带宽受到限制。

近日，法国巴黎萨克雷大学的研究人员提出了一种新颖且通用的办法来限制硅波导中的光波，能有效地在宽带范围内平坦化波导色散和相位适配，从而实现大带宽的频率梳光谱，研究成果发表在Advanced Photonics 2020年第4期上。

基于自适应边界硅波导的光频率梳：

(a)在满足一定折射率条件的梯度折射率波导中的自适应边界。(b)典型的脊型波导与自适应边界波导的色散对比。(c)基于(b)中色散曲线获得的波矢适配。(d)基于脊型波导和自适应边界波导的光频率梳的频谱，包含了两个选取的泵浦光工作点。

这种特性是建立在特定的波导折射率分布之上的：当波导最外沿处的材料折射率比其中的光波的等效模式折射率低时，那么不同频率的光波会根据其模式折射率的大小，各自分布在有微小差异的波导截面空间上（图a，亦即自适应边界），与条型和脊型等阶跃折射率波导大相径庭。

研究人员采用了在亚波长光子学中常见的周期性排列微纳结构，来实现自适应边界概念中的一定跨度的折射率分布。这种基于纳米结构化的自适应边界波导，不再钳制群速度色散于抛物线型，而是令色散曲线与零值有多次交点（图b），进而实现大范围内的低正常色散和低异常色散的轮替。这种色散分布，使得基于色散曲线泰勒展开的相位失配曲线（图c）在极大范围内得到平坦并且接近零值，促进光频率梳实现了一个覆盖2.2-3.4 μm波长的30 dB带宽。

这类新型波导所带来的色散设计自由度，能够用于高折射率平台中克尔光频率梳的频谱控制。此外，本文表明，亚波长以及纳米结构可以促进光与物质的非线性作用，而且其在超连续谱光源、光谱与计量等方面的应用亦值得期待。