實(shí)現(xiàn)理想孤子光頻梳的技術(shù)進(jìn)展——超高Q值光學(xué)微腔模式純化新方案 | 進(jìn)展

在集成光子學(xué)與光頻梳研究領(lǐng)域，克爾孤子微梳因其緊湊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異相干性成為新一代光頻梳的核心技術(shù)，在精密光譜、光原子鐘、低噪聲微波合成等領(lǐng)域展現(xiàn)革命性潛力。然而，降低閾值功率所需的高品質(zhì)因子通常依賴增加光學(xué)微腔的橫截面積來降低散射損耗。此時(shí)，微腔不可避免支持更多的光學(xué)模式家族，而這些光學(xué)模式家族間由于邊界不規(guī)則或界面粗糙引起的強(qiáng)耦合會導(dǎo)致模式反交叉(avoided mode crossings)，并嚴(yán)重制約孤子光譜均勻性和穩(wěn)定性，長期阻礙其實(shí)際應(yīng)用。

近日，來自中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心李貝貝研究組和北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《Photonics Research》發(fā)表創(chuàng)新成果，提出一種回音壁模式微腔的普適性光譜純化技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)超高Q值(Quality factor)的少模式光學(xué)微腔，并生成無色散波的理想孤子微梳，為高Q值光學(xué)微腔在高維量子光源與精密測量系統(tǒng)等應(yīng)用方面提供器件制備的新思路。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地在二氧化硅微盤腔(圖1a)的頂部沉積金屬環(huán)，通過精準(zhǔn)控制金屬環(huán)與微盤邊緣的距離(d)，選擇性增加高階光學(xué)模式的損耗，從而有效抑制高階模式，減小二氧化硅微盤腔中的模式密度。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了可應(yīng)用于批量制備的光刻-濕法刻蝕工藝，通過優(yōu)化鋁環(huán)-楔形間距

本工作受到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技創(chuàng)新2030、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院從0到1、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。中國科學(xué)院物理研究所李貝貝研究員、北京大學(xué)楊起帆研究員為共同通訊作者，中國科學(xué)院物理研究所博士生周昕、李金城為共同第一作者，合作者還包括來自北京航空航天大學(xué)的肖志松教授和張浩副教授。相關(guān)成果于2025年10月31日以“Universal spectral purification of ultrahigh-Q microresonators for ideal soliton microcombs”為題發(fā)表于Photonics Research。

圖1. 金屬修飾的二氧化硅微盤腔光場特性、SEM圖像、生成的孤子光頻梳 (a) 金屬修飾的二氧化硅微盤腔示意圖，插圖為微盤腔橫截面中基模與高階模式的光場分布，以及有無金屬情況下對應(yīng)模式線寬對比。d代表金屬環(huán)與與楔角上邊緣之間的間隙。(b)金屬修飾微腔的電子顯微鏡圖像，黃色條帶部分為修飾用的金屬圓環(huán)。(c)不同微腔中產(chǎn)生的孤子光頻梳光譜。 I為未經(jīng)過金屬修飾的微腔產(chǎn)生的孤子光頻梳，ii為經(jīng)過金屬修飾的微腔產(chǎn)生的孤子光頻梳。

編輯：LogicMoriaty