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西安光機所在集成光頻梳研究中取得進展

  日前,中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室張文富研究員、趙衛研究員課題組與北京大學物理學院、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授、龔旗煌院士課題組合作,在集成微腔光頻梳領域取得進展:利用合成勢阱場首次在單個微諧振腔中實現了具有32種重復頻率的孤子晶體光頻梳,其重復頻率覆蓋了多個射頻波段和太赫茲波段。

  近年來,集成微腔光頻梳技術已經取得長足進步,在激光雷達、相干通信、精密光譜、微波光子學、集成光鐘和量子光源等領域展示出前所未有的優勢。然而,微腔孤子的產生通常具有隨機性,為集成光頻梳實際應用帶來極大挑戰。為此,研究團隊引入外部控制光場,通過其與泵浦光拍頻形成的腔內光場勢阱,實現了對孤子的捕獲和操控,從而得到腔內孤子等間隔排布的合成孤子晶體光頻梳(也稱為完美孤子晶體光頻梳)。合成孤子晶體光頻梳的實現打破了微腔尺寸對孤子光頻梳重復頻率的限制,例如在一個自由光譜范圍為49 GHz微腔內實現了高達1.57 THz重復頻率的孤子光頻梳;并且,孤子晶體排布的有序性使得梳齒功率得到巨大提升,例如N孤子晶體光梳總功率相對于單孤子增強了N倍,而其單根梳齒功率則增強了N2倍,為高功率微腔光頻梳應用奠定了基礎。

圖1 任意合成孤子晶體示意圖

  研究還揭示了一種不同于傳統微腔呼吸孤子的新型孤子受迫振蕩現象,其來源于合成光場勢阱和孤子脈沖的群速度差;通過調諧控制光束的頻率,可實現對振蕩頻率的人為調控。此外,由于微腔內存在熱光效應,孤子的重復頻率也將在小范圍內實現精細調諧。以單孤子光頻梳為例,實驗實現了孤子受迫振蕩頻率~20 MHz、重復頻率~60 kHz的連續調諧,為精密調諧孤子重復頻率提供了新的方案。

圖2(a)實驗裝置圖;(b)蝶形封裝后的高品質因子集成微腔圖;(c)孤子晶體光譜圖,其中數字表明孤子晶體包含的孤子脈沖個數,虛線表示特征擬合包絡。

  此項工作首次將合成的微腔勢阱場引入微腔孤子光頻梳實驗研究,為微腔孤子脈沖的操控與轉換提供了新思路;與此同時,實驗實現的可重構合成孤子晶體光頻梳對5G無線通信、激光雷達和高純度微波源等應用具有重要意義。相關研究成果以“可任意合成的孤子晶體”(Synthesized soliton crystals)為題,2021年5月26日在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications);論文的共同第一作者包括西安光機所盧志舟博士(2020屆畢業)和王偉強副研究員、北京大學博士研究生陳豪敬(2019級)和姚璐(2019級),共同通訊作者為張文富和肖云峰。美國弗吉尼亞大學易煦助理教授在實驗設計和理論建模等方面提供了重要指導。研究工作得到中科院戰略先導專項(B類)、國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23172-2

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