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
,金屬修飾的微腔實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的提升:1.模式密度銳減:一個(gè)自由光譜范圍(25 GHz)內(nèi)模式數(shù)從>30降至6;2.超高Q:基模本征 Q 值仍超10 8 ;3.孤子光譜純化:消除了由于模式反交叉引起的色散波,獲得完美Sech2包絡(luò)的孤子頻梳光譜(圖1c-ii所示)。另外研究團(tuán)隊(duì)對金屬修飾微腔中產(chǎn)生的孤子光頻梳拍頻微波信號進(jìn)行相位噪聲表征,在25 GHz載波頻率下,生成了10 kHz頻率偏移處-125 dBc/Hz的低相噪微波源。另外由于金屬修飾的微腔中光學(xué)模式密度減小,在調(diào)節(jié)泵浦波長時(shí)由于光熱作用導(dǎo)致模式跳變概率降低,展現(xiàn)出更好的孤子光梳調(diào)諧性能,同時(shí)也提高了孤子光梳的重頻噪聲性能,可以保證高頻微波在載波頻率調(diào)諧的過程中噪聲性能維持統(tǒng)一。本工作可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子和低模式密度,為集成光量子系統(tǒng)(如多模壓縮態(tài)制備)提供了理想的平臺,其普適性設(shè)計(jì)將推動(dòng)高維量子光源與精密測量系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。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。
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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
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