前沿进展|高效率的克尔孤子光频梳

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，布雷西亚大学的D.Modotto & 林雪平大学的T. Hansson教授及其合作者展示了一种一种混合马赫-曾德尔环形谐振腔结构，利用干涉反馈耦合提高克尔孤子光频梳转换效率，转换效率高达55%，相关研究相关研究成果以“Efficient Kerr solitoncomb generation in micro-resonator with interferometric back-coupling”为题，发表在Nature Communications上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

克尔孤子光频梳通常是利用微环谐振腔中的非线性光学克尔效应，将单一频率的激光转变为频域上大量梳齿状等间隔排列的宽带光频梳。相对于传统光频梳光源，克尔光频梳具有可片上集成、脉冲重复频率高等特点，在天文学和光谱学等很多领域有广阔的应用前景。然而，目前基于耗散克尔光孤子（DKS）的微环谐振光频梳的转换效率非常低。对于单个DKS光频梳，转换效率小于1%，而对于多孤子或孤子晶体，转换效率小于~5%。

03 研究创新点

研究人员制作并表征了一种混合马赫-曾德尔环形谐振腔结构，包括一个微环谐振器并嵌入一个两倍光程长的腔体作为反馈部分，其结构如图1所示。

图1 环形谐振器干涉反耦合结构示意图。(a) 微环嵌入一个两倍于其长度的空腔中。(b) 在微环、反馈和输出部分的频率梳频谱的演化。

当反馈部分和微环部分的泵浦光场在输出端同时满足幅度相等和相位相反，就能够实现很高的转换效率。通过实验证明，该结构的转换效率高达55%，如图2所示。研究人员使用池田映射来模拟器件中非线性脉冲传输，结果如图3所示。失谐值在0.03和0.035之间时，转换效率达到~55%。

图2 干涉反馈耦合谐振器中的有效孤子产生。(a) 实验装置和芯片图。(b) 在带反馈A的谐振腔中，测量到的自由光谱范围(FSR)的色散。(c) 通过谐振连续扫描泵浦波长得到的器件频率梳输出功率与泵浦谐振失谐的关系。(d) 图(h)所示有缺陷孤子晶体的重复频率信号。(e) 完美孤子晶体和 (f-h) 有缺陷的孤子晶体的频率梳频谱。

图3 池田图仿真 (a) 腔内频率梳频谱随泵浦失谐值的演化 (b)腔内时域波形随泵浦失谐值的演化(c) 失谐值为0.033时，微环（蓝色）、反馈（绿色）和输出（红色）部分的脉冲形状。器件输出部分(e)，微环部分(f)，反馈部分(g)的光频梳频谱。(h) 不同失谐值下，泵浦，梳齿线和整个梳齿的功率计算值。

04 总结与展望

此工作首次揭示了片上混合马赫-曾德尔环形谐振器几何结构在非线性传输和光频梳上的发展潜力，并通过干涉反耦合提高了光频梳转换效率。实验证明，具有光反馈的片上谐振器可以产生多种DKSs，转换效率高达55%。与单一的微环谐振器结构相比，需要的泵浦功率更低。与两个耦合环结构相比，提供了较小的色散管理能力。高效率片上光频梳预期将对天文学和光谱学等应用产生重要推动作用。同时，具有干涉反馈耦合的光腔中耗散孤子的产生将为复杂非线性光动力学的研究提供了一个新的平台。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28927-z

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科学编辑|黄蕊

编辑|金梦菲菲

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