应用于片上集成3-5μm波段SOI微环飞秒光参量振荡器的理论与实验研究

This scheme will research the mechanism and technology of the monolithic integrated femtosecond optical parametric oscillator based on the SOI ring resonator in 3-5μm mid-infrared range. Firstly, the physical mechanism of the 3-5μm femtosecond optical parametric oscillator in the SOI ring resonator will be studied systemically and deeply from the theoretical viewpoint, and the simulation model of the 3-5μm femtosecond optical parametric oscillator in the SOI ring resonator will be improved and built. The novel way of optimizing SOI ring’s multi-parameters achieved efficient coupling and single mode propagation will be explored numerically. The significant method and technology of obtaining ultra-broadband phase matching will be searched through the interaction of the high-order dispersion and nonlinearity. Meanwhile, influence of the SOI ring resonator’s filtering effect and thermo-optic effect on the round trip time and wavelength tuning of the signal in the optical parametric oscillator will be investigated. Furthermore, the key method and technology of the femtosecond optical parametric oscillator based on SOI ring resonator exhibiting a compact configuration with high Q value, lower threshold and high conversion efficiency will be investigated experimentally. The femtosecond pulse oscillation in the optical parametric oscillator will be realized using the high nonlinear SOI ring resonator as the parametric gain material. Moreover, the dispersion engineering method can be adopted to obtain the generation and stable propagation of the femtosecond pulse in the optical parametric oscillator. The tunable filter can be adopted to tune the parametric oscillation signal wavelength. These research results of this scheme can provide a kind of novel, compact and tunable femtosecond pulse source for the fields of ultra-fast optics, integrated optics and nonlinear optics. Simultaneously, the novel devices based on the silicon photonics in 3-5μm region will also be developed.

本项目研究应用于片上集成的3-5μm波段SOI微环谐振飞秒光参量振荡器的机理与技术。首先，从理论上系统深入地研究3-5μm波段SOI微环谐振飞秒光参量振荡器的物理机制，并完善和建立3-5μm波段SOI微环飞秒光参量振荡器的理论模型。探究通过SOI微环结构的多参数优化实现有效耦合和单模传输的新方法，探索通过高阶色散和非线性的相互作用实现超宽带相位匹配的关键方法和技术，同时探讨SOI微环的滤波效应和热光效应对整个光参量振荡器中信号光的往返时间和调谐波长的影响。其次，从实验上研究高Q值、低阈值和高转换效率的SOI微环飞秒光参量振荡器的关键技术和方法。利用SOI微环作为增益介质实现飞秒脉冲光参量振荡、用色散调控的方法来实现飞秒脉冲的形成及稳定传输，并通过可调谐滤波器来调谐参量振荡信号光波长。本项目的研究将为超快光学、集成光学、非线性光学等研究领域提供新型可调谐飞秒脉冲光源，同时发展新型硅光子器件。

本项目研究应用于片上集成的中红外波段SOI微环谐振飞秒光参量振荡器的机理与技术。建立了中红外波段SOI波导飞秒光参量振荡器的理论模型，优化设计SOI波导的结构，得到了当泵浦光波长为1945nm时，对应的信号光和空闲光波长分别为1677nm和2315nm的相位匹配条件。模拟了飞秒脉冲在SOI波导光参量振荡器中的形成、传输和振荡特性。研究表明：当循环圈数大于10时，参量振荡状态趋于稳定，转换效率可达到5%。讨论和比较了飞秒脉冲在SOI波导传输过程中脉冲宽度和载流子寿命对自由载流子浓度的影响。结果表明：当脉冲宽度从50fs增加到150fs的过程中，对应于脉冲前沿和脉冲后沿的自由载流子浓度变化更为“陡峭”，该结果对基于SOI微环结构的光参量振荡器的设计和优化，具有重要的指导意义。比较了不同形状的SOI波导在不同波长区域的零色散波长点数目和位置特性。计算结果表明：SOI波导的零色散波长点在1400nm-2300nm区域的带宽内灵活可控，零色散波长点数目从0到2灵活变化。该研究对实现光参量振荡过程中宽带相位匹配和信号光波长选取提供了方法。详细论述了双泵浦光子晶体光纤光参量放大器的增益特性：通过多参数优化得到了类“正六边形”的规范增益区域。当信号光波长在1053nm附近时，能够得到宽带平坦参量增益，此时对应的泵浦功率仅为4.5W；当信号光波长分别为1030nm和1070nm时，通过选择合适的泵浦光波长可以得到不连续的参量增益，其参量增益中心区域会形成凹陷。建立了基于SOI微环谐振结构级联FWM效应的双泵浦光学频率梳的理论模型，仿真得到了双泵浦低功率输入、超宽带输出的光学频率梳。当泵浦功率从0dBm增大到12dBm的过程中，光学频率梳包含的模式数可达到64个，其带宽增加至800nm。研究了功率分配、噪声输入和高阶色散对基于SOI微环的双泵浦光学频率梳时域对称性的影响。实验研究了掺铒锁模皮秒/飞秒光纤激光器的特性，利用NPR技术实现了单/多耗散孤子产生，其脉冲宽度为10.07ps。研究还发现当泵浦光功率从110mW增大到161mW时，脉冲的3dB带宽得到了展宽但是光谱宽度变窄，该现象是实验上首次被发现。利用羧基氧化石墨烯材料作为可饱和吸收体，实验上得到了脉冲宽度为884fs且具有高稳定性的锁模飞秒脉冲，该研究为应用于片上集成的SOI微环飞秒光参量振荡器的泵浦光源部分提供了有效方案。