中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所張文富研究員領(lǐng)導(dǎo)的微納光子集成研究團(tuán)隊(duì)基于高折射率差光子集成平臺(tái)制備出超高Q值微環(huán)諧振腔，通過泵浦自鎖定技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了寬帶集成光學(xué)頻率梳，并利用微腔非線性效應(yīng)與選模機(jī)制，獲得了穩(wěn)定的超高重復(fù)頻率多倍頻（49-735 GHz）激光脈沖輸出。

光學(xué)頻率梳（簡稱光頻梳）是具有確定光頻梳齒間隔及頻率的光頻標(biāo)尺，時(shí)域上為鎖模激光脈沖序列，其發(fā)明是激光技術(shù)領(lǐng)域及計(jì)量科學(xué)領(lǐng)域在21世紀(jì)具有里程碑式重要意義的工作。受益于寬帶精細(xì)光譜產(chǎn)生，光頻梳在超高精度光鐘、物理常數(shù)精密測量、類地星體/系外生命探測、電子運(yùn)動(dòng)的阿秒動(dòng)力學(xué)測量，超精細(xì)光譜測量、光通信多波長光源等方面呈現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也受到了來自國防科技、電子信息等領(lǐng)域的高度關(guān)注。

迄今為止，絕大多數(shù)光頻梳的產(chǎn)生均基于氣體、固體以及光纖脈沖激光。整體上，脈沖激光技術(shù)向著更短的激光脈沖和更高的脈沖重復(fù)頻率（重頻）等多個(gè)方向發(fā)展：在更短脈沖寬度方面，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了47阿秒的光學(xué)脈沖；而在更高重頻方面，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率大于100 GHz的穩(wěn)定激光脈沖仍極具挑戰(zhàn)。由于激光器的重頻直接由腔長決定，而過短的激光腔無法得到足夠增益，因此無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超高重頻激光脈沖輸出。近年來，一種新的基于微諧振腔的Kerr光頻梳被提出并取得重要進(jìn)展。由于其小型化以及超高重復(fù)頻率的特點(diǎn)，有望在未來天文觀測、集成微波光子源、RF任意波前產(chǎn)生、光通信、小型化光鐘等領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用。過去10年中，國際上關(guān)于Kerr微腔光頻梳的研究取得了一系列重大突破，受限于工藝技術(shù)等條件，我國在此方向總體進(jìn)展較為緩慢。

微納光子集成團(tuán)隊(duì)B. E. Little、張文富等開發(fā)了高折射率差光波導(dǎo)技術(shù)，成功研制出了高Q值(>10⁶)微環(huán)諧振腔。器件材料平臺(tái)不僅與現(xiàn)有CMOS工藝相兼容、可滿足未來大規(guī)模光子集成系統(tǒng)的發(fā)展需求，而且能夠與現(xiàn)有商用光纖器件完全兼容，因此具備極強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢及重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 基于高折射率差波導(dǎo)平臺(tái)研制的高Q值微環(huán)諧振腔。(a) 結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 模場分布；(c) TE/TM模式分布；(d) 諧振模式帶寬特性(對(duì)應(yīng)Q值為1.5×10⁶)。

得益于高Q值微腔內(nèi)極高的場增強(qiáng)效應(yīng)和超短腔長，當(dāng)連續(xù)泵浦光耦合進(jìn)微環(huán)諧振腔后，在較低泵浦閾值下即可通過四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率寬帶光頻梳輸出，重頻水平相比其他傳統(tǒng)頻梳系統(tǒng)可提升2~3個(gè)量級(jí)。西安光機(jī)所研究人員創(chuàng)新性地利用雙泵浦自鎖定激光系統(tǒng)和外腔調(diào)控技術(shù)，國際上首次實(shí)現(xiàn)了微腔光頻梳以自由光譜范圍(FSR)整數(shù)倍連續(xù)可調(diào)諧，產(chǎn)生了300 GHz~2.3 THz(即6~46倍FSR)超高重復(fù)頻率穩(wěn)定光頻梳。泵浦功率閾值為50 mW，頻梳帶寬超200 nm。

圖2 重頻可調(diào)的微腔光頻梳光譜圖

此外，研究人員將微環(huán)諧振腔嵌入環(huán)形光纖增益腔中，經(jīng)四波混頻效應(yīng)使發(fā)射的各個(gè)光波長的相位相互鎖定，并通過精密調(diào)諧光纖增益腔的長度，在微腔諧振模式與光纖腔模之間形成“游標(biāo)卡尺”（Venier）效應(yīng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)激光器縱模自由精確選擇；同時(shí)，在時(shí)域上則表現(xiàn)為微腔內(nèi)均勻地復(fù)用了多個(gè)超短激光脈沖（類似于時(shí)分復(fù)用），最終獲得了超高重頻（49~735 GHz）激光脈沖輸出。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Photonics [4(7), 1677–1683 (2017)]。該技術(shù)不僅直接突破了傳統(tǒng)脈沖激光器所面臨的物理腔長限制，而且可以利用模式選擇機(jī)制將基頻激光脈沖進(jìn)行多倍頻，因此能夠?qū)崿F(xiàn)重頻極高且整數(shù)倍連續(xù)可調(diào)的超短脈沖激光，并兼具低閾值、高穩(wěn)定、小體積等獨(dú)特優(yōu)勢，從而在未來超高速光子技術(shù)中具有廣泛前景和重要價(jià)值。

圖3 基于微腔的超高重頻激光脈沖倍頻原理示意圖

圖4 多倍頻激光脈沖測試結(jié)果（左：光譜圖；中：自相關(guān)曲線；右：頻譜圖）

該研究成果得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，論文主要完成者為西安光機(jī)所王偉強(qiáng)博士，張文富研究員，B. Little博士、王擂然研究員、王屹山研究員、趙衛(wèi)研究員，以及香港城市大學(xué)S. T. Chu博士等