中红外微腔光频梳关键器件及应用研究

Mid-IR optical frequency combs (OFCs) can provide the most precision time and frequency standards for many applications, such as spectrum measurement, gas detection, and ascertaining physical process. The application of traditional mid-IR OFCs are limited by the large size, weight, and power (SWaP). Recently, a new type of OFC named micro-cavity Kerr comb, which has low SWaP and high repetition frequency, is proposed by using the photonic integration technology. This new technology has potential to overcome the bottleneck of traditional mid-IR OFCs. The goals of this proposal are developing self-reference OFCs in 2 to 4.5 micrometer band with CMOS compatible waveguide and ring. Furthermore, based on the mid-IR Kerr combs, searching the application in mode-locked laser, and dual-comb spectrum measurement. The advantages of the proposal are as below: 1) New method of design waveguide and ring cavity with ultra-broad band flatten dispersion, and unique photonic damascene process to fabricate thick waveguides. 2) New method to stabilize the phase and frequency of comb by using 2f-3f self-reference method. 3) Novel integration methods for mid-IR mode-locked laser and dual-comb interference. The project may make the mid-IR OFC into one-chip. The mid-IR Kerr OFCs not only has high academic value, but also has more potential applications in future precision measurements in many fields.

中红外光频梳不仅是解决众多科学问题的精密时频基准，也是带动众多关系到国计民生领域（如环境检测）发展的关键。传统中红外光频梳受限与大体积、重量、高功耗及低重复频率，基于光子集成技术的Kerr微腔光频梳的出现可以有效解决中红外光频梳的技术瓶颈。本项目拟采用CMOS工艺兼容硅基波导材料平台开发2-4.5微米波段超宽带自稳频中红外光频梳，同时探索其在中红外锁模激光器及双梳光谱仪领域的应用。项目主要创新点如下：1）超宽带色散平坦微腔设计及独特光子镶嵌工艺技术保证高性能微腔的制备；2）全新的2f-3f自参考稳频技术方案可以获得超高频率与相位稳定度；3）全新的集成化中红外锁模激光器及双梳光谱测量方案。这一研究将引领中红外光频梳向芯片化方向的发展，不仅具有重要的学术价值，同时在分子、原子、气体等高精密测量领域具有更重要的应用价值。

芯片级微腔具备的极强光场局限及超高重频特点，有望解决传统光频梳面临的体积、重量、功耗限制，在光频梳技术及应用中展现出重要价值。而中红外波段覆盖了众多分子的特征吸收光谱，也是大气通信窗口，研究意义重大。本项目主要围绕中红外微腔频梳器件设计及制备、产生理论与调控方法及其在精密检测领域应用开展系统性研究，主要成果包括：建立了包含色散、四波混频、热效应与频率失谐等效应影响的物理模型，可详细描述微腔内光频梳产生和时频域演化动力学过程，并针对自由载流子和高阶色散效应影响，基于Si、Ge等材料优化设计了平坦负色散微腔结构以及低功率阈值频梳激发技术方案，为宽带中红外微腔光频梳产生与控制奠定了理论基础；设计并验证了SiN、GaN、LN等多种波导结构，完成了相应工艺开发与器件初步制备；提出了双频泵浦与外腔锁定技术，基于自主研制高Q值微腔芯片实现了多倍频连续可调光频梳与超高速率(最高735GHz)锁模脉冲产生，重复频率比传统方法提高约3个量级；提出了谐振频率温控与辅助光热调谐方法，解决了微腔内强局域光场热平衡及耗散管理难题，实现了多种形态的微腔孤子晶体以及单孤子态光频梳的确定性产生；验证了中红外微腔光频梳产生，突破了光纤-微腔高效耦合与片上非线性频率扩展难题，基于高Q值MgF2微腔实现了光谱覆盖3.4-8.2μm的宽带光频梳，为中红外孤子光频梳激发及应用提供了技术支撑；探索了基于微腔双光梳的精密光谱测量技术，利用多重外差干涉法进行了气体吸收光谱解析测量，实现了绝对光谱分辨率~11mHz和积分时间~1ms（400次相干平均），具备超高光谱分辨率及超快测量速度的特点。此外，面向光学系统的多功能单元集成，提出了超小尺寸模式转换器、基于级联MZI的高集成滤波器等多种片上功能器件设计方案。本项目研究成果有助于促进中红外光频梳向芯片化发展进程，并为其在精密测量领域的现实应用奠定了坚实基础。