华中科技大学张新亮、施雷课题组：可控的克尔与拉曼-克尔微腔光频梳

来源：两江科技评论

导读

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮、施雷课题组，基于功能化的氧化硅微球腔实现了可控的克尔与拉曼-克尔光频梳。课题组提出的新型功能化微腔同时具备超高Q值和优异的可调谐特性，并基于这种微腔实现了超低阈值且可控的克尔及拉曼-克尔光频梳，参量振荡阈值均在微瓦量级。获得了带宽近170 nm的拉曼-克尔光频梳，所需泵浦功率仅为954 μW，梳齿调谐范围达2.67 nm。该工作使微腔光频梳的应用更为灵活，可进一步拓展其应用范围。

研究背景

光学频率梳是一种在频域上具有固定梳齿间隔的光源，具有高带宽和光谱精细等特性，在精密频率测量、光钟、相干光通信、光谱学、天体探测、精密测距、微波光子学等领域具有广阔的应用前景。传统的光频梳基于飞秒锁模激光系统实现，显然难以小型化。近年来，基于光学微腔中克尔效应的微型光频梳（克尔光频梳）引起了广泛关注。回音壁模式光学微腔因具有超高品质因子（Q值）和小模式体积，是研究光与物质相互作用的理想平台，在微型激光器、非线性光学、传感、腔光力学、腔量子电动力学、非厄米光学等领域有重要应用。目前已基于不同结构的微腔平台实现了克尔光频梳。由于微球腔的零色散点可以直接通过改变微球直径来控制，自然也能作为实现克尔光频梳的优异平台。光频梳的梳齿可调谐特性在一些应用中至关重要，如用于波分复用光通信系统中时。对于氧化硅微腔，其可调谐特性一直存在挑战：如何在实现高效调控的同时保持其Q值不会劣化。华中科技大学张新亮、施雷课题组提出并制备了功能化的氧化硅微瓶腔，其具有较大调谐范围且调谐过程中Q值保持在108以上 [Optics Letters 42(24), 5133-5136, 2017]。该课题组基于这种特殊设计的混合微瓶腔在前期实现了高效可控的：(1) 掺饵微腔激光器 [ACS Photonics 5(9), 3794-3800, 2018]，使用所提出的新型制备方法获得了已报道最高Q值得(5.2×107)的掺饵微腔，具有已报道最低阈值（非谐振泵浦）及最大波长调谐范围；(2) 电磁诱导透明效应 [Nanophotonics 7(10), 1669-1677, 2018]，能够实现透明窗口深度、相对位置及整体谱线位置的独立调控；(3) 亚千赫兹线宽光纤激光器 [Optics Letters 43(21), 5315-5318, 2018]，兼具单模激射及较好的波长调谐性能；(4) 布里渊及拉曼微腔激光器 [Nanophotonics 8(5), 931-940, 2019]，具有微瓦量级阈值及已报道最大波长调谐范围。

创新研究

本工作中，华中科技大学的研究人员提出了一种基于功能化微球腔的全光可控光频梳。如图1所示，研究人员利用微操纵技术将具有极强光热效应的氧化铁纳米颗粒包覆在微球腔末端区域。如何精确控制纳米颗粒的包覆区域是器件制备中的关键。由于纳米颗粒包覆区域与回音壁模式的模场区域没有交叠，因此这种混合微腔可以保持Q值在108以上，且微腔的色散不受纳米颗粒的影响。将控制光沿轴向注入到微腔中后，控制光被氧化铁纳米颗粒吸收，产生的热量传输到模场区域从而实现对谐振模式的高效调控。基于这种微腔优异的可调谐特性，实现了克尔及拉曼-克尔光频梳的有效调控。

图1 (a) 功能化的氧化硅微球腔示意图；(b) 四波混频和受激拉曼散射原理图。

如图2(a)所示，为功能化微球腔的SEM。通过控制微球腔的色散，能够在C波段产生克尔光频梳。如图2(b-f)所示，为克尔光频梳的产生随泵浦功率的变化。从图2(h)可以看出，参量振荡阈值低至微瓦量级。由于微球腔的色散不够平坦，产生的光频梳带宽还不够宽。为了进一步拓展光频梳带宽，通过控制微腔色散并利用受激拉曼散射作为辅助实现了拉曼-克尔光频梳，参量振荡阈值也在微瓦量级。如图3(a-d)所示，获得了带宽近170 nm的光频梳，所需泵浦功率仅为954 μW。如图4(a-e)所示，为拉曼-克尔光频梳的梳齿调控性能，获得了2.67 nm的梳齿调谐范围，且调控过程中梳齿间隔维持一个FSR，梳齿数目和功率保持较好。此外，梳齿间隔的最大改变量约为840 MHz。这种调控方案还可以拓展到其它微腔材料和微腔结构。

图2 (a) 功能化微球腔的SEM；(b-f) 克尔光频梳的产生（微腔直径248 μm）；(g)光频梳放大图；(h) 闲频光功率随泵浦光功率的变化，插图是信号光功率与闲频光功率之间的关系。

图3 (a-e) 拉曼-克尔光频梳的产生（微腔直径139 μm）；(f) 拉曼功率和一阶边带功率随泵浦功率的变化；(g) 光频梳放大图。

图4 (a) 拉曼-克尔光频梳的梳齿调控性能；(b-d) 梳齿调控性能放大图；(e) 梳齿调谐范围和光频梳带宽随控制功率的变化，插图是梳齿间隔随控制功率的变化。

该研究成果以“Controllable Kerr and Raman-Kerr frequency combs in functionalized microsphere resonators”为题发表在Nanophotonics [8(12), 2321-2329 (2019)]上。相关工作得到了国家自然科学基金（重大研究计划培育项目、面上项目）、中央高校基本科研业务费（学科交叉专项、人才培育专项）、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放课题等项目的资助。