我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)合作在集成光頻梳研究中取得重要進(jìn)展

日前，北京大學(xué)物理學(xué)院、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室肖云峰教授、龔旗煌院士課題組與中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員課題組合作，在集成微腔光頻梳領(lǐng)域取得進(jìn)展：利用合成勢(shì)阱場(chǎng)首次在同一微環(huán)諧振腔上實(shí)現(xiàn)了具有32種重復(fù)頻率的孤子晶體光頻梳，其重復(fù)頻率覆蓋了多個(gè)射頻波段和太赫茲波段。

近年來，集成微腔光頻梳技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，在激光雷達(dá)、相干通信、精密光譜、微波光子學(xué)、集成光鐘和量子光源等領(lǐng)域展示出前所未有的優(yōu)勢(shì)。然而，微腔孤子的產(chǎn)生通常具有隨機(jī)性，為集成光頻梳實(shí)際應(yīng)用帶來極大挑戰(zhàn)。為此，聯(lián)合課題組引入外部控制光場(chǎng)，通過其與泵浦光拍頻形成的腔內(nèi)光場(chǎng)勢(shì)阱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孤子的捕獲和操控，從而得到腔內(nèi)孤子等間隔排布的合成孤子晶體光頻梳（也稱為完美孤子晶體光頻梳）。合成孤子晶體光頻梳的實(shí)現(xiàn)打破了微腔尺寸對(duì)孤子光頻梳重復(fù)頻率的限制，例如在一個(gè)自由光譜范圍為49GHz微腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.57THz重復(fù)頻率的孤子光頻梳；并且，孤子晶體排布的有序性使得梳齒功率得到巨大提升，例如N孤子晶體光梳總功率相對(duì)于單孤子增強(qiáng)了N倍，而其單根梳齒功率則增強(qiáng)了N2倍，為高功率微腔光頻梳應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖1.任意合成孤子晶體示意圖

研究還揭示了一種不同于傳統(tǒng)微腔呼吸孤子的新型孤子受迫振蕩現(xiàn)象，來源于合成光場(chǎng)勢(shì)阱和孤子脈沖的群速度差；通過調(diào)諧控制光束的頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩頻率的人為調(diào)控。此外，由于微腔內(nèi)存在熱光效應(yīng)，孤子的重復(fù)頻率也將在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)諧。以單孤子光頻梳為例，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了孤子受迫振蕩頻率～20MHz、重復(fù)頻率～60kHz的連續(xù)調(diào)諧，為精密調(diào)諧孤子重復(fù)頻率提供了新的方案。

圖2.（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）蝶形封裝后的高品質(zhì)因子集成微腔圖；（c）孤子晶體光譜圖，其中數(shù)字表明孤子晶體包含的孤子脈沖個(gè)數(shù)，虛線表示特征擬合包絡(luò)