基于铌酸锂盒形微腔的2 μm光学频率梳

Xiaohan Wang,Kunpeng Jia, Mengwen Chen, et al. 2 μm opticalfrequency comb generation via optical parametric oscillation from a lithiumniobate optical superlattice box resonator[J]. Photonics Research, 2022, 10(2):02000509

基于光学微腔的光学频率梳可以作为集成化的高精度频率基准，可用于光谱学、天文学、微波光子学和光通信等实际应用中。微腔光频梳的研究大多是利用材料的三阶非线性效应在泵浦光波长附近产生级联四波混频，且主要集中在常规通信波段。而在其他重要波段，如中红外波段，由于缺乏相应的高性能激光作为泵浦光，很难采用这样的方法产生光频梳。

光参量振荡器 (OPO) 可以通过材料的二阶非线性实现激光频率下转换，下转换参量光与泵浦光之间可超出一个倍频程，因此被广泛用于扩展激光波长，如中红外激光的产生。除了传统的单频 OPO，包含多个频率分量的光频梳也可以在OPO中产生。

在此之前，已有研究展示了基于体块晶体OPO和单片谐振器OPO的光学频率梳，然而在迷你型OPO中，尚无法实现中红外波段的光频梳产生，而利用这种紧凑系统产生高功率光学频率梳对于遥感应用具有重要意义。

近日，南京大学的谢臻达教授、祝世宁院士课题组汪小涵博士、贾琨鹏博士后展示了基于参量下转换的2 μm波段微腔光频梳的产生，该结果已进入中红外波段的边界。相关结果发表在Photonics Research 2022年第2期上。

该团队为实现这一目标，通过采用盒形微腔的设计理念，发展研制了一种新型的铌酸锂光学超晶格盒形微腔（图1）。产生的光频梳光谱和时域测量结果与仿真结果高度吻合，证明了高稳定度光频梳的产生。生成的 2 μm 光频梳可用于二氧化碳、水蒸气等气体传感及矿业勘探等潜在应用。

图1 铌酸锂光学超晶格盒形微腔示意图及其表征

该工作提出的铌酸锂光学超晶格盒形微腔是将铌酸锂介电超晶格材料通过精密抛光的方法制备而成，其品质因子接近材料吸收极限，在2096 nm达到了4.0 × 10⁷。采用1048 nm的近红外连续光作为泵浦，在2 μm波段简并点附近产生了光频梳，其光谱范围超过40 nm。

得益于盒形微腔的大模场面积，该微腔光频梳的功率性能相较于其他微腔平台有了很大提升，最高功率可达340 mW，转换效率12.4%。稳定性和噪声方面，探测到了周期复现的时域波形，1.426 GHz的窄线宽（20 Hz）拍频信号表明该光频梳具有很高的相干性（图2）。

图2 2 μm光频梳的表征测试

在未来的工作中，可以通过提升加工工艺，增大散热面积，改善温度控制稳定性等手段，进一步降低热噪声对于光频梳产生的影响；同时还可以在盒形微腔中设计更加复杂的结构（如：啁啾极化等），用于跨倍频程光频梳产生，并且还能利用啁啾结构进行色散调控，进而产生孤子光频梳，进一步提高光频梳的相干性。

“新型的盒形微腔设计是实现参量下转换微腔光频梳产生的关键，”谢臻达教授表示，“这项研究工作不仅展示了全新的光梳产生动力学过程，而且还将光频梳拓展至比泵浦光波长更长的波段，这极大地摆脱了对泵浦激光器的要求，并简化了中红外光频梳产生的装置，这对于高分辨率光谱学、传感和测距等应用非常重要。”

该团队设计的铌酸锂盒形微腔为微腔光频梳的产生提供了新的思路，其设计思想可以用于其他材料平台上（如：铌酸锂薄膜波导体系等），有望实现更低的阈值和更高的集成度。同时，他们还展示了盒形微腔在近红外泵浦产生中红外光频梳方面的优势，并为这些新的二阶非线性微腔光频梳平台的进一步研究打开了大门，它们具有独特的动力学过程，并且在实际应用中的具有重要意义。

科学编辑 | 南京大学 贾琨鹏

编辑 | 方紫璇