2.3.4　微腔频率梳产生技术

基于集成光学的片上微谐振腔产生克尔频率梳（Kerr-comb）是光学频率梳光源的另一个前沿技术领域。光学微腔是一种片上微纳环形谐振器，可以将光束缚在很小的空间内，具有很高的品质因数（Q）‎[23]。微纳尺度的光束缚带来很小的模式体积，高Q值即低损耗带来较长的腔内光子寿命，二者相结合能够共振增强光与物质的非线性相互作用，实现丰富的光场调控机制。根据对光场的束缚方式，光学微腔包括法布里−珀罗、回音壁模式、光子晶体等几种类型。表‎2-1给出了不同模式的光学微腔及典型Q值。其中，片上WGM光学微腔的Q值已经高于1010的水平。微环工艺的Q值虽然较低，但是由于可以和互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容，具备大批量商业化生产的可能性，对于开发实用化的光子集成芯片具有重要的价值。

表2-1　几种典型的光学微腔

（续表）

片上非线性微腔产生级联的四波混频效应，能够得到宽带光频梳‎[24]。由于其制备工艺与CMOS兼容性好，体积小、功耗低、质量轻，因此称为片上光频梳。目前，利用硅、氮化硅、氮氧化硅（Hydex）、铌酸锂、铝镓砷、氮化铝等多种材料都已经成功产生了片上光频梳，并具有各自的优势。表2-2给出了用于制备片上光频梳的不同材料的线性、非线性特征，同时给出了哪些材料实现了克尔光频梳产生（KCG）及超连续光谱产生（SCG）‎[25]。其中，超连续光谱是通过f−2f干涉仪探测fceo的必要条件。这些材料的突出特点是极强的非线性效应、波导与包层的高折射率差。比如，对于硅（Si）和氮化硅（Si3N4），在1 550 nm的通信波段的折射率分别为3.47和2.0，而二氧化硅（SiO2）包层的折射率仅为1.45。大折射率差有利于将波长为λ的光束缚在小于λ2的波导结构中传输。更重要的是，通过改变波导横截面面积可以精确地调控波导色散，这对于产生克尔光频梳是至关重要的。

表2-2　适用于片上非线性光子学的各种材料的线性和非线性光学特性‎[25]

光学微腔中的光学频率梳产生的物理机制是微腔介质的三阶非线性效应（克尔效应）引起的级联四波混频（FWM）。四波混频过程涉及4个波，通常有2个泵浦光、1个信号光和1个闲频光。四波混频过程是参量化的，即与材料之间不存在能量转移，服从能量守恒和动量守恒（满足相位匹配条件）规律，当四波混频作用涉及4个不同的频率分量时，为非简并的四波混频（Non-degenerate FWM）。而克尔光频梳的产生依赖简并四波混频（Degenerate FWM）。由于微腔具有极高的Q值，可以有效地增加非线性相互作用的长度，因此极大地降低产生非线性效应的阈值（达到微瓦量级）。如图‎2-26所示，一束可调谐单频激光器（Tunable CW-laser）输出的连续激光经过光放大器（Optical Amplifier）后，耦合至微腔（Microresonator）中作为泵浦光，每两个能量相同的泵浦光子会产生一个能量更大的信号光子和一个能量较小的闲频光子，即在泵浦光的光频两边产生了等间隔的频率边频（新的梳齿成分），如图‎2-26（b）的过程（1）所示。如果这两个边频与微腔的纵模频率重合，参量化过程就会增强，进一步激发级联的四波混频效应，即初次的四波混频产生的信号光和闲频光可作为下一步参量化过程的泵浦光，产生新的边带。随后，非简并的四波混频效应［如图‎2-26（b）的过程（2）所示］与简并的四波混频效应的相互作用产生更多频率边带，得到宽带的光学频率梳，其带宽受限于微腔的色散效应。从图2-26（b）还可看出，FWM过程产生等距的边频，即回音壁模式（WGM）。灰色填充的曲线为微腔的模式，每一个模式的线宽由微腔内循环一周的损耗率κ决定，且在微腔的色散（这里是反常色散）的作用下，微腔的模式是不等距的。这使得远离中心频率的梳齿频率与微腔的模式频率产生偏移，第n个梳齿的偏移量由Δn表示，当两者完全失配时，级联FWM效应终止。

如图‎2-26（a）所示，利用光电探测器接收光频梳，下转换得到的射频拍频信号反映了频率梳的梳齿间隔fr，由微腔的自由光谱范围（FSR）决定。由于微腔光频梳的尺寸极小，梳齿间隔fr一般为1 GHz～1 THz，普遍高于被动锁模激光器产生的光学频率梳的梳齿间隔。在后续章节将看到，高重复频率、宽带的微腔频率梳非常适合高速、高精度的激光雷达应用。

图2-26　微腔光频梳的产生原理‎[26]

光学微腔同时能够实现孤子锁模，这使得微腔光梳和被动锁模激光器一样，能够输出超短脉冲激光序列。光学微腔内激发的孤子是一种耗散克尔孤子（DKS）‎[27]，其动力学过程由Lugiato–Lefever方程描述。在实验中，需要利用一台窄线宽的可调谐激光器作为泵浦光源，在光学微腔的某个谐振频率附近做快速频率扫描。如图‎2-27所示，微腔耗散克尔孤子的产生要求泵浦光由该谐振峰的蓝失谐区域扫频至红失谐区域，其间伴随着腔内功率提升与调制不稳定性效应（如箭头1所示）。扫描停止之后，一般会由混沌状态切换至一个多孤子状态。接下来应用背向频率扫描，可以逐步降低孤子数量，直至产生单孤子的运转状态。在此过程中，可以观察到腔内平均功率的下降（如箭头2所示）。当然在扫频的过程中，腔内功率剧烈变化，会带来显著的热效应的影响。因此有效的热管理也是实现稳定的孤子运转状态的重要前提。通过灵活设计光学微腔的波导色散，利用色散波切伦科夫辐射效应，可以将孤子光频梳的光谱带宽展宽至2/3个甚至1个倍频程，进而利用“2f−3f”等技术方案探测fceo，实现真正的自参考孤子光频梳‎[29]。

图‎2-27　基于氮化硅波导的耗散克尔孤子的产生过程‎[28]