深港微电子学院赵前程课题组在绝缘体上磷化镓集成光学微腔色散调控领域取得部分研究进展

2023-03-15 科研聚焦 浏览量：14198

近日，南方科技大学深港微电子学院赵前程助理教授课题组在绝缘体上磷化镓集成光学微腔色散调控领域取得新进展，研究成果相继在国际光学会议2022 IEEE 7th Optoelectronics Global Conference和2022 Asia Communication and Photonics Conference上，以及传统光学期刊Journal of the Optical Society of America B上发表。

光学频率梳（Optical Frequency Comb）是指在频谱上由一系列等间距且具有良好的相干稳定性的频率分量组成的光谱，在光通信、量子光学、原子钟、精密光谱、频率合成和精密距离测量等诸多领域具有广泛的应用。传统基于飞秒锁模激光器的光频梳系统由于体积庞大、耗电量大、价格昂贵，阻碍了其进一步商用和产业化发展。利用先进的片上集成光子技术来实现光频梳微型化可以降低光频梳器件的尺寸、功耗和成本，促进光频梳器件的发展与应用。

绝缘体上磷化镓是研究非线性集成光子器件的新颖平台。目前国外磷化镓光频梳微环谐振腔受限于材料色散，产生的光频梳带宽有限。针对这一问题，赵前程课题组利用双环耦合引起的模式杂化特性，设计了全刻蚀和半刻蚀的磷化镓双环谐振腔结构，并理论验证了在全刻蚀的磷化镓双环谐振腔中产生宽带宽光频梳的可行性，和在半刻蚀的磷化镓双环谐振腔中产生覆盖中红外和近红外双色光频梳的可行性，为在绝缘体上磷化镓微腔中通过色散优化产生宽光谱光频梳和多波段光频梳的提出了理论解决方案。

基于全刻蚀沟槽的绝缘体上磷化镓双环光频梳微腔

图 1 基于全刻蚀沟槽的绝缘体上磷化镓双环谐振腔的色散和光频梳特性。（a）微腔结构示意图。（b）耦合波导截面示意图。（c）光场模式耦合对色散的影响。（d）协同调控微腔色散。（e）光频梳带宽延展。

针对薄波导严重的材料色散限制的问题，课题组在绝缘体上磷化镓架构中设计了一个拥有平坦宽带的反常色散特性的同心双环谐振腔用于光频梳产生。通过内外波导中光场的耦合杂化形成反对称模，从而达到单个波导无法实现的反常色散效果。课题组分析了模态杂化的腔内场动力学，并给出了两环之间相位匹配条件的几何依赖关系。在优化后的双环微腔中产生的亮孤子光频梳，具有67nm的3dB带宽和超过250 nm的20 dB带宽，比未耦合的单环形谐振腔更宽。此方法只需要调整波导的横向尺寸，展现了较强的设计灵活性，并且可以应用于其他材料平台，在目标波长产生任意的色散分布。相关工作分别以“Flexible Dispersion Engineering in Thin GaP-OI Frequency Comb Resonator Design”和“Dispersion-flattened concentric structure for microcomb bandwidth broadening in GaP-OI resonators”为标题发表在Optoelectronics Global Conference会议和Journal of the Optical Society of America B期刊上。南科大深港微电子学院2020级本科生耿兆珽为文章第一作者，李毅副教授和赵前程助理教授为文章共同通讯作者，南科大为文章唯一通讯单位。 

基于部分蚀沟槽的绝缘体上磷化镓双环光频梳微腔

图 2 基于部分刻蚀沟槽的绝缘体上磷化镓双环谐振腔的色散和光频梳特性。（a）微腔结构示意图。（b）耦合波导截面示意图。（c）光场模式耦合对色散的影响。（d）1550 nm和3100 nm双波段光频梳频谱。

双波段光频梳能够提升光频梳的带宽，结合二阶非线性效应，可以实现光频梳的f-2f自参考。课题组提出了一种基于部分刻蚀沟槽的双微环谐振腔的结构以实现双波段光频梳。相较于完全刻蚀的双环，部分刻蚀的双环间隙较小，对微腔模场的调控呈现波长相关性。在长波长时，同心圆磷化镓微腔可以被视为单个微腔，通过单个微腔所支持的高阶模式实现反常色散；而在短波长时，同心圆磷化镓微腔被视为两个互相独立的微环，通过模式杂化产生的反对称模实现反常色散。该结构能够同时在中红外和短波红外两个波段实现反常色散。该方法即扩展了微腔的反常色散区间，又提高了绝缘体上磷化镓微腔色散优化的自由度，为绝缘体上磷化镓微腔在1550 nm和3100 nm双波段产生克尔光频梳提供了可行性设计。相关工作以“Design of partially etched GaP-OI microresonators for two-color Kerr soliton generation at NIR and MIR”为标题发表在Asia Communications and Photonics Conference (ACP) 会议上。南科大深港微电子学院2021级硕士研究生姬厚领为文章第一作者，李毅副教授和赵前程助理教授为文章共同通讯作者，南科大为文章唯一通讯单位。

相关论文列表

1.  Z. Geng, H. Ji, Z. Yu, W. Cheng, P. Wu, Y. Li, and Q. Zhao, "Dispersion-flattened concentric structure for microcomb bandwidth broadening in GaP-OI resonators," J. Opt. Soc. Am. B 40, 673 (2023).

2.  Z. Geng, H. Ji, Z. Yu, W. Cheng, Y. Li, and Q. Zhao, "Flexible Dispersion Engineering in Thin GaP-OI Frequency Comb Resonator Design," in 2022 IEEE 7th Optoelectronics Global Conference (OGC) (IEEE, 2022), pp. 218–221.

3.  H. Ji, Z. Geng, W. Cheng, Z. Yu, P. Wu, Y. Li, and Q. Zhao, “Design of partially etched GaP-OI microresonators for two-color Kerr soliton generation at NIR and MIR,” in Asia Communications and Photonics Conference (2022), paper 6251.