美国哥伦比亚大学Michal Lipson课题组：基于超低损耗多模光波导的片上光学频率梳

导读

近日，美国哥伦比亚大学Michal Lipson院士、博士后研究员纪幸辰等研究人员在基于超低损耗多模光波导的片上光学频率梳方面取得重要研究进展。该研究提出了一种多模微谐振器非线性弯曲设计方法，保证了有效地仅激发和传播基模，并使得群速度色散在该结构中对微加工误差更不敏感。该研究运用多模式光波导芯片取得了超高品质因数（超低损耗）、简化了芯片加工流程、放宽了芯片制造工艺要求、成功产生了无模式交叉的光谱光学频率梳及光孤子微梳，再次刷新了氮化硅微腔中低阈值泵浦功率的世界纪录。因此，这项工作提供的多模式光波导的设计方法，可以推广应用到不同的材料平台上，从而实现并推动超高品质多模微谐振器芯片的应用。该研究成果以“Exploiting Ultralow Loss Multimode Waveguides for Broadband Frequency Combs”为题发表在国际著名学术期刊《Laser & Photonics Reviews》，博士后研究员纪幸辰为第一作者，Michal Lipson院士为通讯作者。

研究背景

光学频率梳作为非线性光子器件中的核心模块，近些年来吸引了研究人员的广泛关注，光学频率梳就像一把精密测量光频率的标尺，可以产生由一系列离散的、等频率间距的相干激光组成的光谱，在片上光学时钟、激光雷达、寻找地外行星、大容量光通信、光学频率合成器等领域都有着巨大的应用前景。光学损耗对于实现超低阈值和产生宽带频率梳至关重要，目前为止，微纳米加工手段如优化蚀刻、回流抗蚀剂掩模和化学机械平坦化等芯片加工制造工艺被应用于减少波导表面粗糙度从而降低光学损耗，然而，开发针对不同材料平台的优化制造工艺以实现超光滑界面仍是一项挑战。

       本工作中，美国哥伦比亚大学研究人员通过使用多模结构以减少光与波导界面的重叠，放宽了芯片制造工艺要求，该方法完全基于芯片加工中常见的减法制造工艺，无需化学机械抛光，也无需数十小时的高温抗蚀剂回流，简化了芯片加工流程。并且通过一种多模微谐振器非线性弯曲的设计方法，研究人员保证了在多模微谐振器中仅有效地激发和传播基模，增加了波导设计的灵活性。该研究成果不仅可以应用于氮化硅材料平台，而且可推广应用于不同的材料平台，减小对超光滑界面的工艺需求，有利于实现和推动超高品质多模微谐振器芯片的应用。

创新研究

研究人员选取双曲正切(tanh)函数作为非线性函数来改变谐振器的弯曲半径（如图1所示），该tanh函数确保了耦合部分的半径变化缓慢，保证了仅激发和传播基模，且在半径平滑过渡的同时确保了较小的占地面积。相比之下，若弯曲半径采用线性变化的设计（使用与非线性情况下耦合部分相同的斜率），则需要十倍以上的占地面积。

图1: 非线性弯曲设计的多模微型谐振器示意图。弯曲半径在耦合段为900微米，然后在最大弯曲处逐渐减小到80微米。插图显示了波导支持的横向模式，并在非线性弯曲设计中仅激发基模，整个谐振器仅为0.06 平方毫米。

研究人员进一步比较了该设计和传统恒定弯曲半径的多模谐振器的测试结果，如图2所示，在传统恒定弯曲半径的多模谐振器中，可以清楚地观测到高阶模式，在非线性弯曲设计的多模谐振器中，仅观测到基模的存在。

图2: 非线性弯曲设计的多模微型谐振器示意图(左上)。未观察到高阶模式的测量归一化透射光谱(左下方)。传统恒定弯曲半径设计的多模微型谐振器示意图(右上角)。测得的归一化透射光谱具有清晰的高阶模式特征(右下角)。

如图3所示，研究人员测量了非线性弯曲设计的氮化硅多模微型谐振器的损耗，取得了小于1 dB/m的光传输损耗并且测量了该微型谐振器阈值泵浦功率仅为73 µW，再次刷新了氮化硅微腔中低阈值泵浦功率的世界纪录。

图3：a）非线性弯曲设计的多模微型谐振器品质因子（Q）为32.8 million的归一化透射光谱。b）固有线宽直方图，平均固有线宽为6.1 MHz ± 0.9 MHz。c）第一生成边带中的输出功率和作为泵功率的函数图。在该器件中，阈值泵浦功率仅为73 µW。d) 用73 μW的泵浦功率测量的光学频率梳初始状态。

使用非线性弯曲设计的氮化硅多模微谐振器芯片，研究人员产生了片上超广谱的单孤子频率梳，并没有任何高阶模式的迹象，跨度从1097 nm到2040 nm (126 THz)，自由光谱范围（FSR）仅为174 GHz （如图4）。

图4：a)由多模微谐振器产生相位锁定前的宽带频率梳。频率梳的自由光谱范围(FSR)是174 GHz。频率梳非常平滑，没有遗漏线或凹陷，这表明没有模式交叉发生，只有基本模式存在。b)接近倍频程跨度的锁相单孤子频率梳。宽带频谱跨度从1097 nm到2040 nm (126 THz)，1350 nm和1850 nm的凹陷是由于WDM滤波器缺陷，而不是由于模式交叉。单孤子态拟合显示为紫色，与我们的实验结果非常吻合。

总 结

该研究提出了一种多模微谐振器非线性弯曲设计方法，保证了在多模微谐振器中有效地仅激发和传播基模，并使得群速度色散在该结构中对微加工误差更不敏感。该研究成果不仅简化了芯片加工流程、放宽了芯片制造工艺要求、而且成功产生了无模式交叉的光谱光学频率梳及光孤子微梳，再次刷新了氮化硅微腔中低阈值泵浦功率的世界纪录，并可以推广应用于不同的材料平台，有利于推动超高品质多模微谐振器芯片在如光学相干层析成像、片上光学时钟、激光雷达、大容量光通信、光学频率合成器等领域的应用。

       该研究成果以“Exploiting Ultralow Loss Multimode Waveguides for Broadband Frequency Combs”为题发表在国际著名学术期刊《Laser & Photonics Reviews》，博士后研究员纪幸辰为第一作者，Michal Lipson院士为通讯作者。