AlN微环谐振腔倍频程孤子光频梳.docx
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2022-12-15
14:30:43
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0. 引 言
基于克尔非线性效应的微腔光频梳(OFCs)由于具有片上易集成和损耗低等优点受到广
泛关注
[1-4]
，目前已经在多个材料平台中展示，如氧化硅(SiO
2
)
[1]
、氮化硅(Si
3
N
4
)
[5]
、硅
(Si)
[6]
、氮化铝(AlN)
[7]
、铌酸锂(LiNbO
3
)
[8]
，铝镓砷 (AlGaAs)
[9]
和氟化镁(MgF
2
)
[4]
等，其中倍
频程展宽的光频梳已经在二氧化硅
[10]
、Si
3
N
4
[11]
和 AlN
[7]
等平台中实现。
普通的光频梳噪声大不利于实际应用，因此低噪声且梳齿相干性高的孤子光频梳获得
了更多的关注。耗散克尔孤子(DKSs)光频梳有很多实际应用，如光学时钟、相干通信、超
快距离测量、双梳光谱分析和精密测量等
[12-14]
。但在微谐振腔中获取孤子态会面临巨大的
挑战，这源于孤子产生过程中伴随的热不稳定现象。当从微腔谐振位置的蓝失谐侧正向扫
描泵浦波长时，随着泵浦波长失谐量逐渐增大，腔内功率增大，依次产生主频梳、次频梳
和调制不稳定频梳(Modulate Instable Comb, MI 梳)
[15]
，泵浦处于谐振波长的蓝失谐侧。随着
泵浦波长增大，腔内功率增高，温度上升，谐振峰红移，腔内处于热平衡状态。随着失谐
量继续增加，频梳向孤子梳过渡，泵浦波长处于谐振波长的红失谐侧；腔内功率降低，温
度下降，谐振峰蓝移，此时腔内处于热不稳定状态。因此，获取孤子光频梳将面临巨大的
挑战。如果采取一些措施使得腔内温度保持相对稳定时，MI 梳可以过渡为稳定的孤子状
态，而孤子存在的波长范围即为孤子台阶。倘若腔内温度不稳定将会迅速降至环境温度，
此时泵浦光将彻底失谐跳出谐振态。因此，在微腔中获取孤子态需要稳定腔内的瞬时热效
应，保持腔内温度的相对稳定。
目前 DKS 已经在 Si
3
N
4
[13,16-18]
、AlN
[19-20]
等多个平台中得到了验证，但倍频程 DKS 主
要在 Si
3
N
4
中广泛实现
[14,21]
。上述孤子的获取方案主要包括快速正向或反向的泵浦波长扫描
[14-15]
、泵浦调制产生边带
[18]
、快速控制谐振腔温度
[17]
和功率“夹断”（Power Kicking）
[16]
等。
这些方法都会额外引入复杂的控制手段和设备，增加了系统成本。为了通过简单的方式解
决微腔中功率的不稳定变化，提出并设计了一种双模微谐振腔，其含有两个偏振相同且频
率相近的谐振模式(即 TE
00
模式和 TE
10
模式)，利用高阶模辅助稳定腔内温度，从而实现孤
子态的访问
[22]
。
1. 设计方案及仿真计算
获取稳定的孤子态需要腔内达到热稳定，下面主要介绍通过相邻红失谐侧的辅助模式
来稳定腔内温度变化，从而实现孤子态的方案。当微腔内的 TE
00
和 TE
10
模式紧邻，并且
TE
10
在 TE
00
红失谐侧，扫描泵浦波长先后经过这两个模式，微腔内模式的功率分布将发生
变化。在泵浦波长即将跳出 TE
00
模式的谐振时，TE
00
模式将分裂为 C 共振和 S 共振，其中
C 共振与孤子不同位，移回冷腔时的位置，而 S 共振与孤子同位。此时耦合进 TE
00
模式的
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