氮化硅微腔中的光学频率梳.docx

光学频率梳是一种重要的光学工具，尤其在精密光谱学、时间频率标准和量子科学等领域有广泛应用。本文聚焦于氮化硅微腔中的光学频率梳，该领域的研究对于推动集成微腔光学技术的进步至关重要。 氮化硅微腔因其独特的性质，如适中的折射率、低损耗、高非线性系数以及广泛的透明窗口（从可见光到中红外），在集成光学特别是非线性光学中展现了巨大的潜力。微腔的品质因子（Q值）是衡量其光学性能的关键参数，高Q值能增强光与物质的相互作用，并且对于非线性光学器件，非线性性能通常与Q值的平方成正比。例如，四波混频的阈值功率和激光器的线宽都依赖于Q值。 在氮化硅微环腔中，低功耗、可集成性和与CMOS工艺的兼容性使其成为孤子频率梳的理想平台，尤其是对于实现功率受限的激光芯片结合的孤子频率梳。然而，现有的氮化硅微腔面临一些挑战，如微薄的薄膜厚度（50-100纳米）导致大部分光场分布在其附近的二氧化硅介质中，使得实际非线性系数降低。此外，这些微腔的色散特性不符合产生孤子频率梳所需的反常色散条件。 为了解决这些问题，研究者们尝试通过结构色散来补偿材料的正常色散，以实现反常色散的氮化硅微腔。虽然已有报道的最高本征Q值达到107量级，但距离理论上的最高Q值仍有差距。论文中分析了微腔损耗的来源，包括吸收损耗（主要由薄膜内的杂质如氢原子引起）和散射损耗（主要由波导表面粗糙度造成）。降低吸收损耗可通过热退火处理，而减少散射损耗则需要改进加工工艺，降低表面粗糙度。 作者通过薄膜再沉积工艺改进了微腔表面质量，成功提升了大尺寸（半径560微米）氮化硅微环腔的平均本征Q值至1.92 × 106，相较于改进前提高了26%。此外，这一工艺还能与空气包层结合，精确调整微环腔的几何尺寸。通过克服电子束曝光的拼接误差，研究人员在同样大小的微环腔中实现了40GHz的重复频率单孤子产生，表明空气包层与低重频孤子频率梳的兼容性。 这篇论文展示了通过优化微纳加工工艺提升氮化硅微腔品质因子的有效方法，为大尺寸微腔产生低重频孤子频率梳提供了新的策略，进一步推动了集成氮化硅光学芯片在光梳生成和其他应用中的潜力。未来的研究可能会继续探索提高Q值的极限，以及如何在氮化硅平台上实现更复杂和高性能的光学频率梳系统。