采用锗基微谐振腔产生高集成度中红外频率梳的方法研究

One of important trends in spectroscopy is to minimize system size, especially the size of a broadband optical source. Facilitated by the progresses made in nano fabrication, on-chip frequency comb generation using a microresonator has been quickly advancing. However, on-chip frequency combs typically cover a spectral range below 5.5 um, far away from full utilization of mid-infrared spectrum which is from 2.5 to 20 um. The resonator radius is typically 0.1-1 mm or even larger, not satisfactory enough for new applications. The proposed project employs highly nonlinear Ge to build a micro-resonator for comb generation, together with our unique capability of device design aiming at superior dispersion engineering. This would enable the stable formation of cavity solitons with a dispersion profile oscillating over frequency and thus a significantly reduced pump power. We will demonstrate an ultrabroadband mid-infrared frequency comb from 3 to 9 um, with a pump power of 100 mW using a micro-cavity of 0.015 mm.

光谱分析技术的一个重要发展方向是光谱分析设备的小型化，其中首当其冲的是宽谱光源的小型化。随着微纳米加工工艺的发展，用芯片上微谐振腔产生宽谱光频率梳光源的研究取得不少进步。但现有片上微腔从材料、机理到结构都难以突破5微米波长的瓶颈，无法利用中红外波段广阔的带宽(2.5-20微米)。谐振腔半径也通常是0.1到1毫米甚至更大，不能充分满足小型化需求。本课题面向3－9微米波长中红外光谱分析应用，拟采用宽带透明的高非线性锗材料，突破传统微腔设计的制约因素，通过揭示腔内耗散孤子在频域调制的色散条件下低功耗生成机制，解决中红外长波长光频梳产生中的材料吸收和泵浦功率要求太高等问题，在扩展频率梳带宽、降低泵浦功率方面取得关键原理性突破，实现100毫瓦泵浦的、覆盖3-9微米的片上中红外光频梳光源，并将谐振腔半径控制在0.015毫米。

随着微纳米加工工艺的发展，用芯片集成的微谐振腔产生宽谱光频率梳光源已经成为了研究热点。本项目围绕微谐振腔产生中红外光学频率梳开展研究工作并取得如下成果：第一，获得了具有超过4个零色散波长的宽带低且平坦的色散设计思路，突破了色散平坦度对片上中红外频率梳的制约；第二，扩展广义Lugiato-Lefever方程和构建完备的非线性动力学模型，研究混合色散下光频梳产生的机制理论和不同局域损耗对于克尔光频梳产生的影响；第三，构建Si上Ge微环谐振腔，通过色散平坦化和色散混合化技术，有效地拓宽了频率梳的光谱范围同时降低了对泵浦功率的要求，在180 mW的泵浦功率下，获得了具有两个倍频程（2.3-10.2 μm）的中红外宽带锁模克尔光频梳。这些研究工作进一步降低了片上集成光学频率梳的复杂度，引领着光谱分析技术向着集成化、小型化、低功耗、多功能和智能化方向发展。在本项目的支持下，在包括Nanophotonics、Photonics Research、Optics Express、Optics Letters、Photonics Journal、Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、Journal of Lightwave Technology等期刊上发表论文8篇，在包括SPIE Photonics West、CLEO、IEEE等学术会议上发表论文7篇，培养4名博士研究生和3名硕士研究生。