高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子（Q值）和非线性光学微腔产生的光学频率梳（微腔光频梳）在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式（WGM）微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度（Finesse）,能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳（CO₂）激光器熔融氧化硅（SiO₂）石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围（FSR）在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO₂微腔中验证了基于非线性克尔（Kerr）效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO₂微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。     

氮化硅集成微腔光频梳器件关键制备技术(特邀)

微腔光频梳,又称微腔梳,是通过腔内四波混频过程产生的一种高相干宽谱的集成光源,有着优异的时频特性,可用于超精密分子光谱、相干通信、激光雷达、轻型化装备等测量应用,是基础科学、计量学及军事装备的重要工具,是一项颠覆性的技术。报道了一种集成氮化硅（Si₃N₄）微腔光频梳器件制备的关键技术,提出了一种方法平衡Si₃N₄的应力、厚度和化学计量之间的矛盾,以满足反常色散和减少双光子吸收的要求。利用这种改进的大马士革工艺微结构降低Si₃N₄厚膜的应力,减少应力缺陷对器件性能的影响,实现高品质Si₃N₄薄膜的可控制备。在微腔刻蚀工艺中,采用30 nm氧化铝牺牲层补偿掩模抗刻蚀能力,实现微环和波导侧壁粗糙度小于15 nm,满足了微腔高Q值的要求。经双光泵浦测量得到1 480~1 640 nm波段内的宽光谱高相干克尔光频梳。     

基于宽禁带氮化物的微腔光频梳进展（特邀）

微腔光频梳在光谱测量、微波光子学、光学原子钟和相干光通信等领域具有重要的应用。宽禁带氮化物半导体材料,如氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）等属于非中心对称晶体,具有二阶和三阶光学非线性系数,宽带的透明窗口以及与蓝宝石衬底较高的折射率差,使其成为研究非线性光子器件的理想平台。文中介绍了氮化物微腔的特性,同时对基于氮化物微腔光梳的相关研究进展,包括AlN微腔中的宽谱光频梳产生和光学参量振荡、GaN微腔中的孤子光频梳产生等进行了介绍和展望。     

基于超高Q值氟化镁晶体微腔的克尔光频梳产生研究

克尔光频梳具有等距分布的梳状光谱结构,在精密测量、光钟、相干光通信、微波和光学任意波产生、光谱学及天文光谱仪校准等方面有着重要的应用。首先,微腔光频梳与其他光频梳系统相比,具有集成性高、体积小、功耗低的优势,大大扩展了光频梳的应用;其次,通过超精密加工方法制备了品质因子Q值达到了4.8×107的氟化镁微腔,并且得到了干净规律、排列规则的谐振谱,自由频率范围为9.73 GHz,为产生低重复频率光频梳提供了条件;最后,根据实验结果结合Lugiato-Lefever方程分析了氟化镁微腔光频梳的产生过程,研究了泵浦功率对光频梳的影响,通过调整失谐参数得到了孤子态光频梳。并且通过色散调控优化了微腔的光场模式,为产生具有超光滑光谱的孤子光频梳创造了先决条件,提升了光频梳性能。     

克尔微腔光频梳理论分析模型及多波长光源应用探讨

基于高品质因子微谐振腔的参量四波混频实现光学频率梳是一种新的频率梳实现方法,拓展了传统固体及非线性光纤飞秒激光器等光频梳的应用范围,在精密频率标定、天文光谱校准、任意波形产生、光学存储和孤子传输、片上通信用光源等方面具有较高的优势。本文简要总结、评述了几种主要的光频梳动力学分析模型及数值方法,以及这些不同方法的内在联系。基于描述光频梳动态行为的非线性Lugiato-Lefever方程分析了可能存在的动力学过程,并据此对不同特点光频梳进行了分类。通过设计反馈结构理论上研究了正常色散微腔和反常色散微腔的光梳特点,探讨了作为片上光互连用多波长光源应满足的条件及可能的实现途径。     

集成微腔光频梳在精密测量中的应用（特邀）

精密测量是现代物理学的基石,而激光光源的发展直接推动了测量科学与技术的进步。21世纪初,光学频率梳的发明促使人们成功实现最精准的时间/频率标准装置——光学原子钟,推动了绝对光学频率测量、基本物理常数测量、精密距离测量以及分子光谱测量等精密测量技术的发展。然而早期的光梳光源系统复杂、价格昂贵,一般工作于大型实验室里,限制了其应用场景的拓展。近年来,出现了一种新型集成微腔光频梳,其具有体积小、功耗低、可批量制备等优势,吸引了科学界和产业界的广泛关注。不同于传统光梳,这种集成微腔光梳不需要依赖增益介质或可饱和吸收体实现锁模,而是通过高品质因子微腔增强的非线性作用来实现光梳的激发与锁模。这种全新的光梳激发与锁模机制降低了精密光源的体积和成本,在平民化精密测量应用中具有优势。文中介绍了集成微腔光梳在精密测量领域中取得的进展,主要围绕微型化光学原子钟、超快精密距离测量、精密光谱测量三个方向。最后对集成微腔光梳在未来精密测量应用中的机遇与挑战进行了总结与展望。     

相干泵浦微腔光孤子基础与双光梳应用（特邀）

光学孤子是指一种通过非线性折射率势阱维持脉冲形状不变的光波,它广泛存在于光纤、飞秒激光器、参量振荡器等系统中。近年来,人们在相干泵浦下的高Q值微腔中也观测到了光孤子,这为研究光孤子性质提供了新的实验平台。又因为微腔光孤子在频域上对应高重频的光学频率梳,微腔光孤子的诞生也极大地推动了小型化光学频率梳的发展。微腔光孤子频率梳已经可以实现自参考锁定;这使得片上集成的光频合成器、光原子钟、波分复用光源、微腔光谱仪、微腔激光雷达等众多应用成为了可能。文中介绍了微腔光孤子的产生基础,特别是光孤子相互作用相关的研究,还讨论了基于微腔的双光梳测量在高速成像与中红外气体光谱分析上的应用。     

基于回音壁微腔的可见光波段光频梳研究进展（特邀）

基于光学微腔的光频梳具有阈值低、光谱宽及结构紧凑等特点,在精密测量与传感等领域具有重要的应用前景,因此近年来微腔光频梳成为国际研究热点。目前相关的研究都聚焦于红外波段锁模光频梳的产生原理和应用探索,虽然可见光波段的光频梳在精密光谱、原子钟及生物医学等领域有特殊应用价值,但是可见光频梳的实现极具挑战性。文中在简要阐述光频梳产生原理的基础上,介绍了在可见光波段实现光频梳的主要挑战,以及目前三种实现方案的研究进展,包括利用材料的二阶与三阶非线性效应、调节微腔的几何色散和模式强耦合效应调控色散来产生可见光频梳。     

基于高效棱镜耦合的氟化镁微腔孤子光频梳产生

微腔孤子光频梳在相干光通信、光学频率合成、激光雷达、微波光子学和量子光学等领域有着广阔的应用前景,高效棱镜耦合是晶体微腔孤子光频梳集成应用及系统封装的必然技术途径。文章研制开发了一种耦合效率和有载Q值分别达到71.56%和1.8×10⁹的氟化镁微腔-棱镜耦合系统,并且基于该高效棱镜耦合系统实现了氟化镁微腔孤子光频梳和15.99 GHz低相噪微波信号产生,拍频信号相位噪声水平约为-117 dBc/Hz@10 kHz,极大推动了低相噪微型光电振荡器的实际应用发展。     

基于集成光频梳的新型微波光子应用 （特邀）

基于光学微腔的集成光频梳具有光谱宽、谱线间隔大、体积小等优势,为微波光子系统带来了新的发展机遇。近年来涌现了多种基于微腔光梳的微波光子应用,包括高质量微波信号产生、微波光子信号处理、真延时微波波束形成等,具有相位噪声低、可重构能力强、奈奎斯特带宽大等优异性能,展现了集成微腔光梳在微波光子领域的广阔应用前景。     

Tailoring chromatic dispersion in chalcogenide–tellurite microstructured optical fiber

We report fabrication of a highly nonlinear hybrid microstructured optical fiber composed of chalcogenide glass core and tellurite glass cladding. The flattened chromatic dispersion can be achieved in such an optical fiber with near zero dispersion wavelength at telecommunication wavelengths λ = 1.35–1.7 μm, which cannot be achieved in chalcogenide glass optical fibers due to their high refractive index, i.e. n > 2.1. We demonstrate a hybrid 4-air hole chalcogenide–tellurite optical fiber (Δn = 0.25) with flattened chromatic dispersion around λ = 1.55 μm. In optimized 12-air hole optical fiber composed of the same glasses, the chromatic dispersion values were achieved between −20 and 32 ps/nm/km in a broad wavelength range of 1.5–3.8 μm providing the fiber with extremely high nonlinear coefficient 86,000 km⁻¹W⁻¹. Hybrid chalcogenide/tellurite fibers pumped with the near infrared lasers give good promise for broadband optical amplification, wavelength conversion, and supercontinuum generation in the near- to mid-infrared region.     

硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜光学非线性增强色散特性

采用真空热蒸发以及退火工艺制备了支持局域表面等离激元的微纳结构薄膜,在此薄膜上蒸镀了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜。应用Z-扫描技术,在飞秒激光脉冲激发下研究其光学非线性增强的色散特性,在650 nm和850 nm波段观察到了非线性吸收增强;非线性折射率随着波长的增加由负变正。通过扫描电子显微镜和透过光谱表征和分析了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜非线性吸收增强的原理,非线性吸收随着波长的增加由单光子吸收为主逐渐转变为双光子吸收为主;银膜的微纳结构导致硫系玻璃薄膜的共振中心频率发生了偏移。实验制备的用于增强硫系玻璃非线性的微纳结构制作简单,无需复杂光刻工艺,为非线性光子学器件的设计提供了新的思路。     

啁啾光纤光栅在硫系光纤激光器中的色散补偿

中红外波段包含极其重要的大气窗口和众多分子的指纹区,基于硫系玻璃的中红外光纤激光器逐渐引起人们的重视。由于硫系玻璃具有极高的非线性和色散特性,脉冲激光在硫系光纤中的展宽成为发展中红外超短激光必须解决的重要问题。针对脉冲激光在硫系光纤中传输的展宽问题,设计线性啁啾光纤光栅,用于补偿高斯脉冲激光经过光纤之后的色散展宽。模拟结果表明:光纤色散导致的脉冲展宽可以通过线性啁啾光纤光栅进行很好的补偿。进一步研究发现,通过对设计的啁啾光纤光栅运用高斯变迹函数进行切趾优化,可以显著改善色散补偿的效果,以获得对脉冲激光色散展宽的完全补偿。文中的研究对于设计高质量的硫系中红外光纤激光器具有理论指导意义。     

Applications of highly nonlinear chalcogenide glass fibers inultrafast all-optical switches

Applications of chalcogenide glass fibers in ultrafast all-optical switches have been investigated. Ultrafast all-optical switching has been accomplished in an optical Kerr shutter configuration using As₂S₃-based glass fiber. The nonlinear refractive index of the As₂S₃-based glass is estimated to be n₂=4.0×10^-14 (cm²/W ), which is higher by two orders of magnitude than that of silica glass fiber. Nonlinear absorption due to two-photon absorption has been revealed to be negligible, and up to a 2π-phase shift has been obtained. Switching speed and switching power were investigated experimentally and through calculations. A switching time of 12 ps and a switching power of 5 W can be achieved using a 10-ps gate pulse and only a 1-m chalcogenide glass fiber. However, signal transformation due to cross-phase modulation and group velocity dispersion is not negligible for shorter gate pulses. Lower switching power is possible by reducing the transmission loss and the core area and by optimizing the driving conditions     

Linear and Nonlinear Optical Pulse Propagation in Photonic Crystal Waveguides Near the Band Edge

In this paper, the propagation of optical pulses in photonic crystal waveguides (PCWs) near the edge of the guided band is numerically investigated. In the linear regime, it is shown that group velocity dispersion can significantly limit the maximum bit rate of the optical signal. On the other hand, better performance is obtained using soliton waves. Both bright and dark solitons can significantly increase the maximum bit rate that can be achieved in the nanosecond delay regime. The influence of higher order dispersion and optical loss is numerically investigated. The results indicate that near the band edge soliton propagation in PCWs can be stable, provided that the optical losses are kept low. This could open a path towards implementing compact nonlinear elements and delay lines in integrated form.      

中红外Ge20As20Se15Te45硫系玻璃光纤光栅光开关

利用熔融淬冷法制备了Ge20As20Se15Te45硫系玻璃,测试结果表明该玻璃在中红外波段具有良好的红外透过特性和极高的非线性,采用Z-扫描技术测试其中红外三阶非线性系数高达n2=6.7210-18 m2/W @ 4 m。以此材料为基质,设计了两种工作在中红外波段的硫系玻璃光纤光栅光开关。利用分布时域传递矩阵法(TD-TMM)和非线性耦合方程模拟计算了光栅光开关的反射谱和波长偏移特性。研究结果表明,通过调节输入光强可以灵活调节光纤光栅的中心波长向短波或长波方向移动,进而可以获得光开关。在调制深度为110-3的均匀硫系光纤光栅,获得光开关的功率阈值约为1.6 GW/cm2,当引入相移光栅后,调制深度可以降低为310-4,并且其光开关的功率阈值也降低到210 MW/cm2。     

First- and second-order Bragg gratings in single-mode planarwaveguides of chalcogenide glasses

First- and second order Bragg reflectors at telecommunication wavelength (1.5 μm) were fabricated in single-mode monolayer (As₂S₃) and multilayer (AsSSe-AsS) chalcogenide glass (ChG) planar waveguides with near bandgap illumination using an interferometric technique. Reflectivities as high as 90% near 1555 nm, and index modulations up to 3×10^-4 were achieved. The volume photodarkening effect is the principal mechanism involved in the formation of the Bragg gratings     

用于产生超连续谱的硫系光子晶体光纤的色散特性

光子晶体光纤具备的无截止单模、模场面积可调和色散可控的特性,使其在超连续谱的产生中具有独特的优势。超连续谱的产生条件之一,是所使用的光纤须具有高的非线性,而硫系玻璃非线性系数极高,因此利用硫系玻璃光子晶体光纤产生超连续谱的研究备受关注。采用熔融-淬冷法制备Ge23Sb12S65硫系玻璃,并以此为基质设计了用于超连续谱产生的高非线性光子晶体光纤。采用多极法分析光纤孔间距、孔径比d/等对光纤的色散零点位移、色散平坦调控、损耗及模场面积的影响,最终得到当=2m,d/=0.43时,可获得2~4m平坦色散的高非线性光子晶体光纤结构。     

硫系玻璃集成光子器件综述(特邀)

硫系玻璃具有超宽的红外透过光谱范围、较高的线性折射率、极高的光学非线性和超快的非线性响应,近年来在集成光子器件研究领域备受关注。首先回顾了硫系玻璃集成光波导的制备,综述了硫系集成光子器件在红外传感和高性能非线性应用方面取得的进展,然后介绍了硫系相变光子器件在光开关、光存储和光计算等方面的前沿进展,最后对目前硫系玻璃光子器件研究存在的问题进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。