0. 引 言
光学频率梳 (简称光频梳)
[1-4]
是一种在频域上表现为一根根等间隔的梳齿、在时域上
表现为一个个等间隔脉冲的高相干宽谱光源,因其优异的时频特性,是连接光频域与作为
时间基准的微波射频域的桥梁,为时频传递
[4]
、分子光谱
[5]
、绝对距离测量
[6]
、计量
[7]
等领
域带来创新发展的可能。因此,光频梳获得国内外广泛关注,特别是作为基础科学研究的
精密测量工具。较为成熟的光纤光频梳、锁模激光器光频梳、电光频梳等展示出卓越的低
噪高相干等优势,可实现目前人类已经掌握的最高测量精度和最高测量不确定度
[2]
。但传
统光频梳系统体积大、成本高、测量环境苛刻和维护复杂,制约了光频梳技术的应用推
广。随着科技发展,很多新兴领域又对光频梳提出了新的要求,包括较大梳齿间距、高梳
齿功率、高集成、低功耗、轻型化等
[8-9]
。
集成微腔克尔光频梳
[10-12]
(简称微腔光频梳)正是在这些新兴需求推动下快速发展起
来的。自 2007 年以来,国际上 Vahala、Kippenberg、Weiner 等研究组相继观察到了低相位
噪声态的微腔光频梳
[10-15]
。随着微纳加工技术的发展,目前已形成了基于晶体腔、微球
腔、微柱腔、微盘腔、环形腔、楔形腔、微环腔等的光频梳
[10-15]
,呈现独特性能,并取得
广泛应用。
近年来,国内在微腔光频梳方面的研究也取得了快速发展,如清华大学白本锋和中国
计量科学研究院朱振东团队、清华大学孙长征
[16]
和薛晓晓
[17]
团队、中国科学院西安光学精
密机械研究所张文富
[18]
等团队分别研究并制备了氮化硅(Si
3
N
4
)微环腔、氮化铝微环腔、氮
氧化硅微环腔等,实现了性能优异的微腔光频梳、任意波形合成及绝对测距的应用等。北
京大学肖云峰
[19]
、南京大学姜校顺
[20]
等人在二氧化硅微盘腔中产生光频梳,并取得了相关
理论研究成果。
构筑微腔的薄膜材料体系选择需要考虑材料的折射率、非线性系数及加工方式等因
素。高折射率材料可更好地限制微腔中光斑,提高微腔光频梳光子芯片的集成度;高非线
性系数材料可提供更强的非线性增益,显著降低泵浦阈值。选择薄膜材料还须考虑与现有
微纳米加工工艺的兼容性及其成熟度、集成封装的难易程度等。综合上述因素,获得高 Q
值微腔(即微腔具有较低光学损耗)是产生微腔光频梳的必要条件和基本要求
[15]
。
在众多薄膜材料中,Si
3
N
4
光学薄膜最为引人注目,一方面 Si
3
N
4
是超低损耗光学介质
材料,其三阶非线性系数为 2.5×10
−19
,折射率达到 2.0,波导损耗可低至 0.1 dB/m;另一方
面,Si
3
N
4
的加工与当前半导体制造工艺完全兼容。因此,基于 Si
3
N
4
薄膜构筑的微腔光频
梳具有大规模低成本批量生产的潜力及巨大的商业应用价值。在公开报道的 Si
3
N
4
微腔中,
Q 值已达 3.7×10
7
。Kippenberg、Bowers、Lipson、Weiner 等课题组利用 Si
3
N
4
微腔,已分
别实现了耗散孤子光频梳、脉冲泵浦光频梳、跨倍频程光频梳及 DFB 混合集成实现可自由
电开关的孤子光频梳
[15]
。