基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳的方法

技术领域

本发明涉及光通信、半导体光电子学、集成光子学和微波光子学领域，具体涉及一种基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳的方法。

背景技术

光学频率梳，简称光梳，是一类由若干离散、等间距和相位锁定的谱线组成的相干光源，它在精密测量和数据处理等领域具有重要应用价值。其中，基于回音壁模式光学微腔的光梳具有片上集成化、小型化和梳齿频率在GHz级别以上的优点，在相干通信(P.Marin-Palomo et al.,Nature 546,274-279,2017)、低噪声微波合成(Liu,J.et al.,Nat.Photon.14,486-491,2020)、激光雷达、小型化光钟(Papp,S.B.et al.,Optica 1,10-14,2014)等场景具有诱人的发展前景。基于光学微腔的光频梳已借助二阶非线性Pockels效应和三阶克尔效应，在大量的光集成平台材料得到演示，如氮化硅、硅、二氧化硅、氟化钙、氟化镁、氮化铝、碳化硅、铝镓砷、硫系玻璃和铌酸锂(Wang,C.et al.,Nat.Commun.10,978,2019)等。其中，孤子态的微腔光梳，即梳齿间相位彼此锁定，对上述应用场景至关重要。此类孤子微腔光梳，通常在微腔具有合适反常色散的回音壁模式基模产生。因此，孤子微腔光梳(简称孤子微梳)，对微腔的色散控制和加工精度提出了苛刻的要求，一旦微腔的结构被制备出来后，就很难调节和改变微腔的色散了。而且，为了避免拉曼散射的干扰，孤子微腔光梳常常要求微腔仅支持包括回音壁模式基模在内的极少数空间光学模式。因此，如何在一个基模呈正常色散、且支持了大量空间高阶回音壁模式的光学微腔中实现孤子微梳，极具挑战。

发明内容

本发明的目的是提出一种在基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳的方法，首先通过模式裁剪在微腔内获得具有合适反常色散的多边形模式，通过泵浦多边形模式产生三阶克尔效应，并有效抑制微腔内部的受激拉曼散射，获得孤子微梳，克服了现有的孤子微梳对色散精确控制和加工精度的挑战。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳的方法，其特征在于，包括：

将所述光学微盘腔与光波导或锥形光纤耦合，引入弱微扰；

泵浦光经所述光波导或锥形光纤泵浦所述光学微盘腔，通过所述弱微扰使所述光学微盘腔的回音壁模式高阶模发生重组形成具有合适反常色散的多边形模式；

所述多边形模式在泵浦光的作用下，基于级联四波混频，产生克尔孤子光梳。

进一步，所述光学微盘腔的回音壁模式基模呈正常色散，用于产生腔增强的级联四波混频，且支持大量的空间高阶回音壁模式。

进一步，通过调节所述光波导或锥形光纤与所述光学微盘腔的耦合位置；或者，通过调节所述泵浦光的波长，可以改变所述弱微扰的微扰量，直到合成具有合适反常色散的多边形模式。

进一步，所述光学微盘腔的结构是部分悬空或非悬空。

进一步，所述光学微盘腔的材料包括铌酸锂、硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、IV族半导体材料及其化合物、III-V族化合物、II-VI族化合物、IV-VI族化合物、有机半导体材料或蓝宝石。

进一步，所述的多边形模式具有以下特征：多边形模式具有合适的反常色散去平衡非线性克尔效应；当对多边形模式进行光泵浦时，可通过级联四波混频过程产生孤子光学微梳；同时由于多边形模式与回音壁模式基模和高阶模的模场空间重叠极小，降低了激发受激拉曼散射的概率；多边形模式具有与回音壁模式基模相当的光学品质因子、更小的模式体积，使得产生孤子光学微梳的泵浦功率降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.圆对称的光学微腔的回音壁模式基模具有正常色散，用于产生腔增强的非线性光学信号，且可支持大量的高阶空间回音壁模式，光学微盘腔通过与光波导或锥形光纤耦合实现对微腔的模式引入弱微扰，打破微腔的圆对称性，但不改变微腔高品质因子的特性，微扰量可通过设计或调节耦合位置以及泵浦光波长精确控制，高度简并的回音壁模式在微扰的作用下相干合成具有合适反常色散的多边形模式，对光学微腔的多边形模式进行泵浦，基于级联四波混频过程，产生克尔孤子微腔光梳。

2.通过模式剪裁在基模呈正常色散的光学微盘腔内产生孤子微梳，高阶回音壁模式在锥形光纤引入的弱微扰作用下，相干合成具有反常色散的多边形模式，借助多边形模式与回音壁模式基模和高阶模模场重叠小的优势，有效抑制了微腔内部的受激拉曼散射，克服了现有的孤子微梳对色散控制和加工精度的挑战，突破了之前仅限于在具有基模呈反常色散、且只支持极少数空间高阶回音壁光学模式的微腔实现孤子微梳的局限，通过泵浦多边形模式，在铌酸锂光折变效应的辅助下，基于级联四波混频过程，产生孤子微梳。

附图说明

图1是本发明在基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳的系统示意图；

图2是本发明实施例中回音壁模式基模模场分布图；

图3是本发明实施例中形成孤子微梳且具有反常色散的多边形模式的模场分布图；

图4是本发明实施例中孤子微梳的光谱图；

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，本发明提供的一种基于通过模式剪裁在基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳包括：圆对称的光学微盘腔1，用于产生腔增强的级联四波混频过程；圆对称的光学微盘腔1的回音壁模式基模2呈正常色散；光波导或锥形光纤3，用于与光学微盘腔1耦合，并对光学微盘腔1引入弱微扰，打破光学微盘腔1的空间旋转对称性；通过设计或调节光波导或锥形光纤3与光学微盘腔1的耦合位置和泵浦光波长6控制；高度简并的回音壁模式高阶模4在微扰作用下重组为具有反常色散的多边形模式5；对光学微腔的多边形模式5进行泵浦，基于级联四波混频过程，产生克尔孤子光梳7。

实施例

以下对本实施例基于通过模式剪裁在基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳的各部分进行详细说明。

基于通过模式剪裁在基模呈正常色散的光学微盘腔产生孤子微梳如图1所示，包括：波长可调谐泵浦光源6，其激光波段为1550nm附近；锥形光纤3，其束腰尺寸为2μm；光学微盘腔1材料为铌酸锂晶体；回音壁模式基模在光通信波段呈正常色散的光学微腔1的构型是圆对称的光学微盘腔，其半径为62.3μm，楔角为21°，厚度为950nm；

回音壁模式基模呈正常色散的光学微盘腔1是采用飞秒激光光刻辅助化学机械抛光制备工艺在970nm厚Z-cut掺铒铌酸锂薄膜上制备出来的，通过二次化学机械抛光，微盘减薄至950nm，微腔模式光学品质因子在10

锥形光纤3与回音壁模式基模2呈正常色散(即群速色散>0)的光学微盘腔1耦合，对微腔的模式引入弱微扰，打破微腔的空间旋转对称性，在基本维持微腔模式高品质因子的条件下，原来高度简并的高阶回音壁模式4发生重组，相干合成具有反常色散(即群速色散<0，二阶色散在正的MHz量级)的多边形模式5，将特定偏振状态的泵浦光6通过锥形光纤3输入到光学微盘腔1，对多边形模式5进行泵浦，由于多边形模式5和回音壁模式基模2具有相当的光学品质因子、更小的模式体积，因此，可以有效降低产生孤子微梳7的泵浦功率，在铌酸锂光折变效应的辅助下，当片上泵浦功率为35mW时，从四边形模式谐振波长1542.80nm的红色失谐侧到蓝色失谐侧扫描泵浦光6的波长，基于级联四波混频过程，在1542.79nm泵浦波长下产生克尔孤子光梳7。微扰量可通过设计或调节耦合位置和泵浦光6波长控制。

图2是本发明实施例中回音壁模式基模模场分布图，其在光通信波段具有正常色散。

图3是本发明实施例中形成孤子微梳且具有反常色散的多边形模式5的模场分布图，由高简并的回音壁高阶模式4相干合成，同时由于多边形模式5与回音壁模式基模2和高阶模4的模场空间重叠极小，可以显著降低激发受激拉曼散射的概率。

图4是本发明实施例中具有平滑双曲正割(sech

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。