片上跨倍频程克尔光频梳与时域腔孤子特性的研究

Kerr frequency comb, generated from the cascaded four-wave-mixing in high-Q microresonators has been extensively studied in recent years, as it has various advantages such as CMOS compatibility, compactness, large comb line spacing and high power per mode etc.. Kerr frequency comb has great prospects in applications for e.g., spectroscopy, WDM communication, microwave photonics etc. However, obtaining coherent octave spanning, self-reference stabilized Kerr frequency comb remains a challenge currently. In this proposal, we will investigate the mode-locking mechanism for cavity soliton and self-reference locking of octave-spanning Kerr frequency comb based on a high Q SiN microresonator. We will design geometry of the waveguide to obtain flattened anomalous dispersion and improve the fabrication quality to make microresonators with Q-factor exceeding 10^6. The dependence of bandwidth, phase noise, amplitude noise of the Kerr frequency comb on the pump condition and cavity parameters will be carefully studied. Then we expect to achieve soliton mode-locking in the microresonator by fine tuning the pump wavelength, while obtaining a coherent Kerr frequency comb spanning from 1 to 2 μm, with comb lines around 2 μm enhanced by dispersive wave emission. The carrier-envelope offset frequency f0 of the Kerr frequency comb will be detected by f-2f self-referencing and locked to an arbitrary microwave frequency through feed-forward locking method. The 200 GHz repetition rate fr will be divided via electro-optical modulation, and locked to a microwave reference by controlling the pump power. As timing jitter affects the stability of the Kerr frequency dramatically, we will fully characterize the timing jitter of the cavity soliton by balanced optical cross-correlation (BOC). We expect to get a self-reference stabilized on-chip Kerr frequency comb, as well as gain insights into the formation and pulse dynamics of few-cycle cavity soliton from this project.

氮化硅微腔结构简单，与CMOS工艺兼容，其通过级联四波混频效应产生的克尔光频梳梳齿间距大、单梳齿功率高，在光通信、光谱分析、微波光子学等领域具有广泛的应用，然而如何获得高相干的跨倍频程克尔光频梳和稳定的时域腔孤子是目前面临的难题。本项目拟研究氮化硅微腔中的跨倍频程克尔光频梳的产生和稳定，研究时域腔孤子形成的机理。设计和加工反常色散氮化硅微腔，改善加工工艺使其Q值达到10^6量级。研究光频梳带宽、相位噪声、振幅噪声与腔色散、泵浦光参数之间的关系。着重研究1-2 μm的跨倍频程高相干的克尔光频梳的产生和时域腔孤子锁模的机理。利用色散波增强光频梳中的长波长分量和f-2f自参考方法实现克尔光频梳偏置频率f0探测，并进行前向反馈锁定。利用电光调制光学分频方法实现200 GHz 重频的探测，并将其锁定至微波频率标准。利用平衡光学互相关技术对腔孤子的时间抖动进行全面的表征。

目前国际上产生克尔光频梳最常用的材料是氮化硅材料，但目前国内生长的氮化硅薄膜普遍面临着以下问题：富硅，存在多光子吸收；厚度小，难以实现反常色散；薄膜应力大，容易产生裂痕。中国科院学半导体所利用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）方法生长的氮化铝膜处于国际领先水平，具有优良的光学品质和非线性特性，膜厚满足要求，因此我们选用氮化铝作为微腔材料。本课题首先使用Comsol及FDTD solutions等软件，对氮化铝微腔波导的色散，非线性系数，耦合系数等参数进行仿真，并通过Matlab软件数值求解LLE方程，对其产生的克尔光频梳光谱进行预测，实现氮化铝微腔的初步设计。本课题依照所设计的氮化铝微腔结构参数，采用电子束曝光以及ICP刻蚀的方案，分别使用金属镍以及氮化硅做掩模加工氮化铝微腔。并搭建光学测试平台以及波长标定系统对微腔透射谱进行测量，从而对微腔光学性质进行表征，测得微腔Q值为3.8×10^5。由于目前的开放工艺平台并未提供成熟且符合要求的氮化铝刻蚀工艺（侧壁光滑且具有一定的选择比），因此本课题对氮化铝微腔的加工工艺进行了大量的探索，包括电子束曝光的优化，掩模的选取，刻蚀工艺的优化等，虽有一定的进展，但受限于工艺难度及国内的工艺基础仍未实现百万量级的Q值。我们使用对Q值要求较低的双泵浦方案对该微腔进行泵浦，初步实现了梳齿较少的克尔光频梳，验证了单晶氮化铝材料作为非线性研究平台的可行性。同时本课题利用单晶氮化铝材料具有较窄拉曼增益谱的特性，对正常色散氮化铝微腔中泵浦光与拉曼激光之间通过非简并四波混频产生拉曼-克尔光频梳的动态过程进行了理论研究，在产生拉曼-克尔光频梳的基础上研究了暗孤子以及拉曼引起的暗呼吸子的动态过程，提出了一种在正常色散条件下产生高相干克尔光频梳的新方法。最后本课题设计了一种基于蓝宝石衬底的、具有平坦宽谱反常色散的氮化铝波导。采用凹形波导结构，通过调节结构参数，使波导中的高阶模式在1175 nm至2438 nm具有0至-9.7 ps^2/km的平坦色散曲线，可以产生谱宽1977 nm的跨倍频程克尔光频梳，充分利用了氮化铝材料宽透射窗口以及具有较高二阶非线性系数等特征，为实现跨倍频程的氮化铝微腔光频梳及其应用提供了新的可能性。