微腔光频梳技术

逍遥设计自动化

引言
光频梳是光电子技术领域的重要创新，由等间隔的光学频率线构成，在时域上形成具有高峰值功率的超短光脉冲。传统光频梳在时间和频率测量方面具有极高精度，但体积大、成本高限制了在研究实验室之外的广泛应用。芯片级光频梳为解决体积、重量、功耗和成本等问题提供了新的解决方案[1]。
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图1：芯片级光频梳的示意图：(A)光频梳光谱，(B)半导体锁模激光器配置，(C)电光频梳产生方法，(D)微腔频梳产生过程。
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7 `! l# z" S, g: t8 w微腔频梳产生的核心技术
光学微腔是产生微腔频梳的基本结构。谐振频率由环程长度和有效折射率决定。微腔的品质因数(Q值)能显著增强腔内光功率，使较低输入功率即可激发非线性光学效应。高Q值谐振腔可实现数千倍的输入功率增强，非常适合高效率频梳产生。

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) ^* X* ?7 Q5 D图2：(A)耦合到总线波导的微环谐振腔示意图。(B)显示线宽和模式间隔的谐振频率结构。
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微腔频梳的产生主要依赖谐振腔材料中的三阶(χ(3))非线性光学效应。克尔效应导致折射率随强度变化，产生自相位调制和交叉相位调制。这些效应与四波混频(FWM)协同工作，将泵浦光子转换为新的频率分量，启动频梳产生过程。高Q值谐振腔中增强的光物质相互作用大大降低了这些非线性过程所需的功率阈值。
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图3：(A)简并四波混频中的能量守恒。(B)显示功率相关演化的示意增益谱。

8 b: Y( `3 j" [: n. ]& P! h1 s: v) V微腔频梳的形成通常始于将高功率连续激光调谐至微腔模式。增强的腔内功率触发简并FWM，产生初始边带。随着更多泵浦功率耦合进入，级联FWM过程产生额外的梳齿。在适当条件下，频梳可转变为低噪声孤子态，表现为在谐振腔内稳定循环的超短脉冲。
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图4：微腔频梳产生阶段的数值模拟：(A)腔内功率与失谐关系，(B,C)图灵图案形成，(D,E)调制不稳定区域，(F,G)耗散克尔孤子态。
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色散工程与控制
. f. L3 r4 q6 m+ q) p% f微腔的色散特性对频梳产生和光谱特性有根本影响。总色散包括材料色散(折射率随波长变化)和几何色散(波导几何效应)。材料色散由选定平台决定，而几何色散可通过谐振腔结构设计进行调整。这种灵活性使研究人员能针对特定应用和波长范围优化谐振腔。

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图5：(A)二氧化硅和氮化硅的材料色散曲线。(B)楔形微盘中显示波长相关限制的模式剖面。

准确表征微腔色散对预测和理解频梳行为非常重要。现代测量方法包括波长计法、光频梳法和光干涉仪法。每种技术在测量分辨率、精度和系统复杂度方面各有优势。光频梳法提供最高精度但需要复杂设备，而波长计法操作简单但分辨率较低。

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/ u& k, G% x/ r' B" q! s0 N应用与新现象
微腔频梳在多个应用领域展现出显著优势。在通信和信号处理方面，作为波分复用系统的多波长光源，支持高容量光通信。频梳线的等间隔和相干特性使其成为产生低噪声微波信号的理想选择，可应用于无线通信和雷达系统。
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$ b1 r+ l7 `; M图6：应用实例：(A)波分复用通信设置，(B)双梳光谱配置，(C)频率分频/倍频概念。

- x% A; ^  t( U& \在光谱和成像领域，微腔频梳通过双梳光谱等技术实现快速、高精度测量。与传统光频梳相比，较高的重复频率允许更快的采集时间，但分辨率略低。在天文应用中，微腔频梳作为光谱仪的精确波长校准器，帮助探测恒星光谱中指示系外行星存在的微小频率偏移。

- F$ p3 q7 C4 L" b计量学领域特别受益于微腔频梳技术。这些器件可作为光频率合成器和分频器，实现光学和微波域之间的精确频率转换。这种能力对光学原子钟和精密计时系统具有重要作用。

- D, B3 U: j. o2 ^除常规应用外，微腔频梳还揭示了新的物理现象。研究人员观察到孤子晶体——在谐振腔内循环的多个孤子的有序阵列。正色散谐振腔中的暗脉冲产生显示出更高效率的频梳产生潜力。各种拉曼效应也被记录下来，包括自频移和独立拉曼频梳的产生，扩展了我们对微尺度系统中超快光学的认识。
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参考文献
[1] T. Tetsumoto, S. Fujii, and T. Tanabe, "On-chip frequency comb," in On-Chip Photonics, Elsevier, 2024, ch. 7, pp. 199-237.
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