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2021-03-16 作者:現代工程與應用科學學院 來源:科學技術處

現代工學院姜校順、肖敏團隊實現片上布里淵-克爾孤子光頻梳

現代工程與應用科學學院姜校順、肖敏團隊利用光學微腔中多種非線性光學效應的相互作用,實現了一種新型的片上微腔孤子光頻梳,並將這種光頻梳命名為布里淵-克爾孤子光頻梳。該光頻梳具有易鎖模、窄梳齒線寬、低噪聲等優點。基於這種布里淵-克爾孤子光頻梳,研究團隊還實現了低相噪的X波段微波源。

光學頻率梳在時域上是週期性的脈衝序列,頻域上是頻率間隔相等的一系列梳齒。光學頻率梳作為一種光學齒輪可以直接連接光學頻率與微波頻率,並使得光學頻率和微波頻率可以相互轉換和測量。光學頻率梳的發明在激光發展史上具有里程碑的意義。然而,由於光學頻率梳的系統複雜,其應用大多在實驗室環境。微腔光頻梳(特別是微腔孤子光頻梳)的發明則為光學頻率梳的實際應用提供了新的方案。目前,微腔光頻梳已在相干光通信、激光雷達、光計算、光譜學、微波光子學、天文光譜儀校準、光原子鐘等領域得到了重要應用。實驗上,為了獲得相位相干、時域為脈衝的微腔光頻梳,需要仔細調節泵浦激光的功率和失諧量(紅失諧),使得微腔中的非線性和色散、增益和損耗同時達到平衡,從而得到耗散的孤子態。然而,由於光學微腔中強烈的熱光非線性效應,獲得孤子態通常需要特殊的手段來降低或者補償熱效應,並且需要利用複雜的鎖定裝置降低孤子噪聲。

圖1 (a) 布里淵-克爾孤子光學頻率梳示意圖。(b)紅失諧布里淵激光示意圖

最近,姜校順、肖敏研究團隊從理論和實驗上證明,通過選擇光學微腔中合適間隔的泵浦和布里淵模式,利用布里淵激光的克爾自相位調製,即可在藍失諧泵浦條件下產生紅失諧的布里淵激光,從而可以進一步激發克爾孤子光頻梳。這種方法可以展寬孤子台階,使得只通過簡單地調節激光器的頻率即可獲得穩定的孤子態。同時,由於泵浦光處於藍失諧,這種孤子光頻率梳還具有熱自穩定的優點。實驗上,研究團隊利用片上高品質因子迴音壁模光學微腔,成功觀測到了這種布里淵-克爾孤子光學頻率梳的演化過程,並實現了脈寬約為170 fs的單孤子脈衝。同時,由於只有布里淵模式對應的模式族滿足反常色散條件,光頻梳則只在反向產生,而泵浦光只用於產生布裏淵激光,其本身不會產生光學頻率梳。另一方面,由於布里淵非線性過程具有窄帶寬和高增益的特點,高品質因子光學微腔中的布里淵效應可用於實現窄線寬的微型激光器。在本工作中,研究團隊發現該布里淵-克爾孤子光頻梳的梳齒仍然可以維持布里淵激光的窄線寬的優點。實驗上通過對頻率噪聲的測量可得到梳齒的基礎線寬約為23.5 Hz,遠低於泵浦激光的基礎線寬(~1 kHz)。

圖2(a)泵浦激光、背向激光和光梳的功率透射譜。(b)單孤子光譜和拍頻。(c)激光頻率噪聲表徵。(d)微波信號相位噪聲表徵

基於該布里淵-克爾孤子光頻梳的窄梳齒線寬和熱自穩定的特點,研究團隊還利用該微腔光頻梳進一步實現了X波段的低相噪微波源。實驗上,研究團隊在無需額外鎖定的條件下(即泵浦光處於自由運轉狀態),即可獲得低相噪的微波信號(頻率為10.43 GHz),其相位噪聲可以低至-130 dBc/Hz@10 kHz,-146 dBc/Hz@100 kHz,-158 dBc/Hz@20 MHz。該微波源還具有良好的穩定性,其頻率穩定度達到7.5×10-10(1 s平均時間)。這種低相噪的微波信號在微波通信及微波雷達方面具有重要應用。

 該成果以“Brillouin-Kerr Soliton Frequency Combs in an Optical Microresonator”為題,發表於《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 126, 063901 (2021))。南京大學博士研究生白燕、張孟華、施琪和副研究員丁舒林為該論文共同第一作者,姜校順教授為論文的通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和中央高校基本科研業務費專項資金的支持。