中国科学院上海光学精密机械研究所----上海光机所在回音壁微腔模式聚类与重组机制研究和实时频率调谐的低相位噪声微波源取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第四百三十五期)

2023年10月19日

上海光机所在回音壁微腔模式聚类与重组机制研究和实时频率调谐的低相位噪声微波源取得进展

近日，中国科学院上海光学精密研究所强场激光物理国家重点实验室、之江实验室和华东师范大学的团队在回音壁微腔模式聚类与重组机制研究和实时频率调频的低相位噪声微波源方面取得进展，相关研究分别以“Modes Trimming and Clustering in a Weakly Perturbed High-Q Whispering Gallery Microresonator”和“Electro-Optically Tunable Low Phase-Noise Microwave Synthesizer in an Active Lithium Niobate Microdisk”为题发表于Laser Photonics & Reviews。

回音壁（WGM）微谐振腔（下称微腔）因为极高的品质因子（Q值）和小的模式体积等优异特性，在基础科学研究和工程应用中扮演着重要的角色。特别是在混沌辅助隧穿和腔量子电动力学研究方面，以及在集成激光源、传感器和调制器等应用中，其作用不可忽视。同时，这些应用对微腔的模式调控和加工误差提出了苛刻要求。因此，需要发展新的模式调控手段，既保持微腔固有高品质因子特点的同时，使得微腔固有的简并模式发生重组，进而打破微腔的旋转对称性，调控微腔的模式空间分布。

研究团队对弱微扰铌酸锂微盘中模式的重组以及聚类机制进行研究，揭示了一种有效且可控的模式修剪和聚类机制，该机制在弱扰动锥形光纤耦合铌酸锂回音壁微谐振腔中生成多边形和星形模式，实验结果与理论具有很好的一致性。

实验上，以圆对称的掺铒铌酸锂微盘腔为平台，通过微盘腔与锥形光纤的耦合引入模式微扰，使得模式发生重组。具体采用980 nm波段的泵浦光激发微腔模式，以铒离子的上转换荧光作为探针记录泵浦光的空间模式分布。通过调整激发波长或改变锥形光纤和圆形微谐振腔之间的耦合位置，在单个微谐振腔中依次观察各种多边形和星形模式，模式空间分布形貌可以被理论模型很好地再现。该研究成果完善讨论了弱扰动锥形光纤耦合WGM微谐振腔中多边形和星模的产生机制，同时揭示了一种有效且可控的进行模式调整和聚类的方法。这类模式聚类机制深刻影响了模式的简并和重组行为，对微盘腔内各种非线性效应的行为产生了深远的影响。这一发现为高品质微腔的模式调控提供了新的自由度，为非线性光学、微激光、孤子光梳产生等需要严格调控微腔模场的应用场景，注入新动力。

图1 实验观测到的多边形与星形模式（绿色）与理论复现的多边形与星形模式（红色）

具体应用上，许多生产和生活需求，如雷达、无线通信、软件定义的无线电和现代科学仪器，对频率可调的低相位噪声微波源有着迫切需求。传统的微波信号是使用复杂且昂贵的电子电路产生的，严重受制于低带宽和高损耗的传播。相比之下，基于光外差产生的片上光生微波，具有宽带宽和低损耗微波信号传播、低功耗、结构紧凑和大的频率覆盖范围的优点。

研究团队基于高品质的掺铒铌酸锂微腔，通过耦合的锥形光纤引起模式重组，在通信波段形成了近简并的多边形模式。这两个近简并的多边形模式，对应八边形模式的第一激发态和第二激发态，波长间隔约10 pm。同时，泵浦光波长所激发的八边形模式分别与这两个模式的空间模式积分很高且互相接近。更重要的是，这两个空间模式积分呈现类周期分布的特点，而且相差了π相位。这样就抑制了模式的增益竞争。通过泵浦微腔，就可以获得稳定的双波长激射。微激光的阈值为80 μW。这两个稳定的激光信号，由于产生自同一个微腔，彼此间存在较小的扰动，被放大后，经快速的光电探测器产生了中心频率在1.34 GHz的窄线宽微波信号。微波的3 dB带宽约6870 Hz，高频偏的相位噪声约为-123 dBc/Hz。同时，结合铌酸锂的线性电光效应，通过集成微电极实现了对微波频率的快速电光调谐，范围约1 GHz，电光调谐效率为-1.66 MHz/V。最后，通过改变锥形光纤的耦合位置和泵浦光波长调谐模式微扰，还可以获得约7 GHz的调谐。

相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技重大项目、上海市科学技术委员会、量子科学与技术创新计划和中国科学院青年创新促进会的支持。

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