COL Highlight (Vol. 23, Iss. 1): 高鲁棒性、10亿Q级封装型克尔孤子微腔器件
主编推荐|高鲁棒性、10亿Q级封装型克尔孤子微腔器件
Chinese Optics Letters 2025年第 2期Editors’ Pick:
研究背景:
光学频率梳被广泛应用于原子钟、相干通信、光谱分析和激光雷达等前沿科学研究和工程技术领域.基于高品质因子光学微腔非线性四波混频效应的微腔光频梳具有尺寸小、功耗低、可集成和重频范围大等优势,有望突破光梳领域的应用瓶颈,开启光梳技术新纪元.
目前,研究人员基于片上光学微腔和分立式光学微腔已成功实现低噪声孤子光梳.分立式微腔虽不具备高集成度,却展现出超高品质因子、较低热噪声、宽重频范围、光纤兼容性好等独特优势;然而,其封装技术仍面临重大挑战,稳定性和密封性不足会导致品质因子显著下降,同时耦合状态易受环境振动及温湿度干扰,尤其在车载、户外及航空航天等严苛场景中更为突出.因此,开发具有优异环境隔离性和耦合稳定性的微腔模块化封装技术,成为推动该领域发展的关键突破口,同时也是亟待攻克的技术壁垒.
基于以上研究背景,北京大学长三角光电科学研究院的孙伽略、张方醒研究员团队提出一种超高品质因子分立式微腔器件集成化通用设计方案,其封装器件展现出优异的热力学特性和环境鲁棒性,可经受严格的耐久性、振动和温度冲击测试;同时研究人员在此平台展示了低阈值、低相位噪声孤子光频梳的产生,为微腔非线性效应研究、窄线宽激光技术等领域提供了一条切实可行的技术路径,有望推动相关领域的创新发展.相关成果发表在Chinese Optics Letters 2025年第23卷第2期.
后同一谐振模式Q值对比图 (d) 封装微腔室外暴露中的Q值变化图,红色和黑色虚线展示出环境最高和最低气温变化,已标记出高湿度时间节点 (d) 微腔孤子光频梳输出光谱
研究内容与结果
通过精密激光加工技术,研究团队制备出品质因子超过109的二氧化硅微棒腔,并通过优化微腔几何形貌,适度增大模式体积以抑制腔体热噪声;基于此,结合低损耗锥形光纤构建高性能微腔耦合体系.封装层面,壳体采用合金与PEEK材料嵌套式结构,并使用具有不同杨氏模量梯度和低热膨胀系数的粘合剂固定腔体与耦合波导.内置TEC温控装置以及外部标准化FC/APC保偏光纤连接器,进一步提升了光谱稳定性.经过多维度环境试验,封装模块展现出极强的抗热变形和抗振动能力,适用于复杂环境.封装后的微腔器件在1550 nm波长下能够以4mW的低阈值功率产生重复频率为24.98GHz的孤子光梳,并表现出比未封装克尔频率梳更出色的相位噪声性能和运行稳定性.
未来展望
文章提出的分立式光学微腔集成化通用设计方案,在孤子光源或外腔式窄线宽激光器、超窄光学滤波等领域展现出广阔的应用前景.该方案具有极大的可拓展性,研究团队已成功将封装技术迁移至晶体微腔和片上微腔平台;未来,团队将继续深耕微腔工程化封装工艺,依托WGM微腔的独特应用优势,推动新型光源与传感技术的创新发展,为光学领域开辟新的技术路径.
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