6月7日，爱尔兰圣三一学院John Donegan教授团队翁海中等人与华中科技大学武汉光电国家研究中心国伟华教授团队提出一种双模Si₃N₄光学微腔策略，以产生具有倍频程光谱带宽、宽孤子台阶的克尔孤子光频梳。相关成果以 Dual-mode microresonators as straightforward access to octave-spanning dissipative Kerr solitons 为题发表于 APL Photonics 期刊并被选为 Editor’s pick。

基于克尔效应产生的微腔光频梳由于体积小，低功耗、梳齿间距位于微波与太赫兹波段、宽光谱、易集成的特点得到了广泛的关注。研究人员先后在多种光学平台上实现了低噪声相干态孤子光梳，并验证了其在大容量光通信、光谱分析、频率合成器、光钟、气体探测、激光雷达等方面的应用。此外，将无源光学微腔与半导体激光器芯片混合集成以进一步减小系统体积和成本已经成为一种趋势。然而，孤子产生过程中腔内能量的急剧变化导致孤子态难以持续稳定。研究人员提出了快速扫描泵浦激光器的频率、精确操控泵浦功率或者双泵浦等方式以实现孤子态的稳定访问。然而，这些策略通常都需要借助于额外的光电设备，增加了系统的复杂性和成本，限制了微腔光梳的实际应用。此外，克尔孤子光梳的转换效率十分有限，一般只有百分之几甚至更低。

近来，爱尔兰圣三一学院与华中科技大学共同提出了一种基于双模微腔的孤子光梳产生方案。该双模微腔具有两个非常靠近的具有相同偏振的模式，其中一个为基横模TE₀₀，另一个为一阶横模TE₁₀，且TE₁₀模在TE₀₀模的长波长侧。该方案利用了TE₁₀辅助模式的热补偿效应,从而在无需额外光电设备的复杂控制下稳定实现孤子态。利用这种策略，合作双方首次报道了基于AlN微环腔的倍频程孤子光梳，重复频率（f_rep）约374 GHz，孤子台阶达到11.4 GHz。这次,利用Si₃N₄平台,通过优化色散和谐振波长，实验上再次成功验证了这种双模方案并展示了倍频程的孤子光梳，且光梳各项性能指标获得突破性进展。

Fig. 1(a).双模微腔内功率随泵浦失谐变化。(b).热补偿方案实现稳态孤子的原理。当泵浦激光波长在λ_P1,泵浦功率将仅被耦合到TE₀₀模。当增加泵浦波长到λ_P2,由于耦合到腔内功率逐渐上升,两个模式均红移,少量的泵浦功率将耦合到TE₁₀模。其中TE₀₀模式Q值比TE₁₀高一个数量级,将作为泵浦模式来激发非线性产生频梳。此时，泵浦波长相对于谐振模式仍处于蓝失谐位置,产生的光梳为调制不稳定态(MI),噪声较强。随着增加激光器波长到模式的红失谐处λ_P3,将会产生孤子态,腔内功率和温度急剧下降，导致谐振蓝移，泵浦失谐，孤子态消失。与此同时，TE₁₀模式也将突然蓝移，而吸收更多的泵浦能量，从而减缓腔内功率和热量的剧烈变化，抑制了孤子态的坍塌。(c).双模Si₃N₄微环腔传输曲线，模式间距约0.08 nm。TE₀₀模式统计本征品质因子(Q)为1.1×10⁶。模式间的耦合有助于产生孤子晶体。

通过手动调谐或慢速扫描激光器的波长（1 nm/s），当片上泵浦功率200 mW左右时，在同一谐振模式实现了跨越倍频程的单孤子光梳（f_rep≈1 THz），双孤子晶体 （f_rep≈ 2THz），三孤子晶体（f_rep≈ 3THz）及丰富的多孤子态。其中，单孤子台阶存在范围最大可以达到17 GHz。相较于之前的双泵浦方案，系统极大简化，且单孤子的台阶范围大约提高了两个量级，证明了方案的鲁棒性并将拓宽光梳在激光雷达等方面的应用。此外，得益于较低泵浦功率下实现的腔内热平衡，项目实现了24%的单孤子转换效率和42.5%的三孤子晶体转换效率。相似的克尔孤子光梳在多个具有相同尺寸的双模微腔中得到了重复验证，从而说明了该方案的普适性。

Fig. 2(a). 150 mW片上泵浦功率，慢速调谐泵浦波长 （1nm/s）时，测试的传输曲线和产生光梳的功率曲线（橙色线）。单孤子台阶宽0.08 nm（~10 GHz）。(b). 随泵浦调谐时的光梳光谱演变图。(c).产生的MI光梳，单孤子，双（三）孤子晶体光谱。插图：MI光梳和单孤子态的低频强度噪声。(d).自相关测试曲线，单孤子脉冲宽度约35 fs。

Fig. 3(a). 200 mW片上泵浦功率，测得的光梳功率变化曲线。N对应于腔内孤子脉冲数。(b). 在不同泵浦功率下的孤子数及存在范围。(c).产生的具有不同脉冲方位角的双孤子光谱。

文章还研究了克尔孤子的偏频与器件尺寸的关系，通过温度控制调节双模间距从而实现单孤子的确定性生成，并探讨了实现高产率的双模微腔方案。通过优化前段设计实现系统的简化，为高性能片上孤子光梳产生提供了新的思路。丰富的孤子状态、倍频程的光谱范围及增强的转换效率将极大促进克尔光梳在频率合成器、光通信、微波光子滤波器及光学神经网络方面的应用。近期，团队也实现了基于半导体激光器（通过EDFA放大）为种子源的倍频程克尔孤子产生。项目计划将进一步提高微腔品质因子，从而降低孤子产生所需功率，实现半导体激光器直接驱动（无需EDFA和自注入锁定）的孤子光源并对其进行反馈锁定。

该研究工作获得了爱尔兰基金委和国家自然科学基金委国际合作项目的联合支持，圣三一学院博士后翁海中为论文的第一作者，John Donegan教授与国伟华教授为论文的共同通讯作者，团队博士研究生涂慧镧参与了相关研究。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0089036