基于腔内参量增益及热效应双重调控的克尔光梳确定性孤子锁模技术研究

Kerr frequency comb in optical micro-cavity is a novel technique for frequency comb generation. Compared with conventional frequency comb based on femtosecond mode-locked lasers, Kerr comb features substantially compacted volume, high repetition rate, low power consumption, and possible for on-chip integration.Thus, Kerr comb has been considered as the most potential technique for next-generation frequency comb devices. Since its inception in 2007, great development has been achieved to Kerr comb technology. At present, the most intractable problem is that Kerr comb still lacks efficient mode-locking mechanism. This project will focus on the mode-locking of Kerr frequency comb, originally propose and utilize intra-cavity parametric gain control method and auxiliary laser heating method to achieve deterministic mode-locking of Kerr comb, based upon the generation of dissipative cavity soliton in micro-cavity. This project is aimed at solving the deficiencies of conventional Kerr comb mode-locking schemes, including high randomness, low reliability and bad immunity to disturbance. On this basis, this project will also conduct comprehensive test of the performance of mode-locked Kerr comb, and explore the performance optimization method. Via this project, we will endeavor to improve the performance of Kerr comb mode-locking and ultrashort pulse synthesis technology to a new level.

光学微腔中的克尔光梳技术是近年来出现的一种崭新的光频梳产生技术。与传统的飞秒激光器光频梳相比，克尔光梳具有频率稳定性高、模式间隔大、器件体积小且功耗低、可实现片上集成等优点，因此被认为是下一代光频率梳的主要技术方案。克尔光梳技术自2007年诞生以来已经取得了长足的进步，现阶段面临的主要问题是克尔光梳仍然缺乏高效的模式锁定机制。本课题将针对克尔光梳模式锁定这一关键科学问题开展研究，以反常色散微腔中的耗散腔孤子产生为基础，原创性地提出腔内参量增益调控原理、以及激光辅助加热原理实现克尔光梳的确定性模式锁定，旨在解决现有锁模机制随机性强、可靠性差、且易受扰动等缺陷。在此基础上，将全面测试和分析锁模状态下克尔光梳的各项性能参数，并提出锁模性能的优化方案。力争通过本项目的研究，将克尔光梳模式锁定及超短脉冲合成技术的整体性能提高到新的水平。

基于光学微腔的克尔光梳技术凭借高性能以及可片上集成的独特优势，被认为是下一代光频率梳的潜在技术方案。本项目针对克尔光梳模式锁定的难点问题，包括锁模过程受微腔热效应扰动大、锁模状态随机性强等，开展了理论与实验研究。主要研究内容包括：高品质因子光学微腔设计与制备；基于参量增益与热效应双重调控的克尔光梳孤子锁模机制研究；以及锁模克尔光梳稳定性能测试与优化。通过项目研究取得了如下关键结果：首先，在微腔制备方面，通过二氧化碳激光加工平台的搭建与工艺优化，实现了品质因子大于10^9的回音壁模式石英微棒腔加工，掌握了石英微棒腔中不同模式的选择性激发方法；通过自主设计及外协流片，制备了高性能氮化硅微环腔，品质因子大于10^6，掌握了氮化硅微环腔的参数设计原则及实验测试方法，突破了氮化硅微腔芯片的底损耗光学封装技术；其次，在腔内参量增益与热效应双重调控方面，原创性地提出了辅助激光加热方案，抑制微腔热效应对孤子锁模过程的干扰，显著提升了耗散克尔孤子产生过程的可操作性及调控精细度，同时结合泵浦功率降低、泵浦边带调制、微腔色散跳变等措施和机制，实现了微腔内参量增益的有效调控，以及单孤子锁模克尔光梳的确定性产生，项目提出的辅助激光加热原理被各国研究人员广泛采用；最后，在锁模克尔光梳稳定性能测试与优化方面，深入分析了泵浦激光及微腔参数对微腔内耗散孤子状态的各种扰动，针对性地提出了扰动消除及状态稳定方案，实现了孤子锁模克尔光梳的长时间稳定工作，稳定时间>14天，为当前报道的最优结果。.凭借上述研究工作及成果，特别是辅助激光加热原理的提出以及克尔光梳长期稳定工作的实验验证，有效解决了克尔光梳锁模机制随机性强、可靠性差、且易受扰动等缺陷，促成了项目组与华为技术有限公司的实质性合作，共同完成了面向数据中心光互联的克尔光梳样机制备，促进了克尔光梳技术的实用化。