《片上跨倍頻程克爾光頻梳與時域腔孤子特性的研究》是依託清華大學，由楊昌喜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：片上跨倍頻程克爾光頻梳與時域腔孤子特性的研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：楊昌喜
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氮化矽微腔結構簡單，與CMOS工藝兼容，其通過級聯四波混頻效應產生的克爾光頻梳梳齒間距大、單梳齒功率高，在光通信、光譜分析、微波光子學等領域具有廣泛的套用，然而如何獲得高相干的跨倍頻程克爾光頻梳和穩定的時域腔孤子是目前面臨的難題。本項目擬研究氮化矽微腔中的跨倍頻程克爾光頻梳的產生和穩定，研究時域腔孤子形成的機理。設計和加工反常色散氮化矽微腔，改善加工工藝使其Q值達到10^6量級。研究光頻梳頻寬、相位噪聲、振幅噪聲與腔色散、泵浦光參數之間的關係。著重研究1-2 μm的跨倍頻程高相干的克爾光頻梳的產生和時域腔孤子鎖模的機理。利用色散波增強光頻梳中的長波長分量和f-2f自參考方法實現克爾光頻梳偏置頻率f0探測，並進行前向反饋鎖定。利用電光調製光學分頻方法實現200 GHz 重頻的探測，並將其鎖定至微波頻率標準。利用平衡光學互相關技術對腔孤子的時間抖動進行全面的表征。
結題摘要
目前國際上產生克爾光頻梳最常用的材料是氮化矽材料，但目前國內生長的氮化矽薄膜普遍面臨著以下問題：富矽，存在多光子吸收；厚度小，難以實現反常色散；薄膜應力大，容易產生裂痕。中國科院學半導體所利用金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）方法生長的氮化鋁膜處於國際領先水平，具有優良的光學品質和非線性特性，膜厚滿足要求，因此我們選用氮化鋁作為微腔材料。本課題首先使用Comsol及FDTD solutions等軟體，對氮化鋁微腔波導的色散，非線性係數，耦合係數等參數進行仿真，並通過Matlab軟體數值求解LLE方程，對其產生的克爾光頻梳光譜進行預測，實現氮化鋁微腔的初步設計。本課題依照所設計的氮化鋁微腔結構參數，採用電子束曝光以及ICP刻蝕的方案，分別使用金屬鎳以及氮化矽做掩模加工氮化鋁微腔。並搭建光學測試平台以及波長標定系統對微腔透射譜進行測量，從而對微腔光學性質進行表征，測得微腔Q值為3.8×10^5。由於目前的開放工藝平台並未提供成熟且符合要求的氮化鋁刻蝕工藝（側壁光滑且具有一定的選擇比），因此本課題對氮化鋁微腔的加工工藝進行了大量的探索，包括電子束曝光的最佳化，掩模的選取，刻蝕工藝的最佳化等，雖有一定的進展，但受限於工藝難度及國內的工藝基礎仍未實現百萬量級的Q值。我們使用對Q值要求較低的雙泵浦方案對該微腔進行泵浦，初步實現了梳齒較少的克爾光頻梳，驗證了單晶氮化鋁材料作為非線性研究平台的可行性。同時本課題利用單晶氮化鋁材料具有較窄拉曼增益譜的特性，對正常色散氮化鋁微腔中泵浦光與拉曼雷射之間通過非簡併四波混頻產生拉曼-克爾光頻梳的動態過程進行了理論研究，在產生拉曼-克爾光頻梳的基礎上研究了暗孤子以及拉曼引起的暗呼吸子的動態過程，提出了一種在正常色散條件下產生高相干克爾光頻梳的新方法。最後本課題設計了一種基於藍寶石襯底的、具有平坦寬譜反常色散的氮化鋁波導。採用凹形波導結構，通過調節結構參數，使波導中的高階模式在1175 nm至2438 nm具有0至-9.7 ps^2/km的平坦色散曲線，可以產生譜寬1977 nm的跨倍頻程克爾光頻梳，充分利用了氮化鋁材料寬透射視窗以及具有較高二階非線性係數等特徵，為實現跨倍頻程的氮化鋁微腔光頻梳及其套用提供了新的可能性。
