CN110168444A - 绝热色散管理的频率梳产生 - Google Patents

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Abstract

提供用于在芯片上提供色散管理的耗散克尔孤子的方法和装置。也提供用于生成这种孤子的微谐振器。由在频率梳上的实时动力学测量可以使能孤子。进一步提供方法以在具有在600fs时间分辨率的超快时间透镜放大器的快时间轴和经由具有同步光纤频率梳参考的光学采样的慢时间轴两者中，确定腔内场的时间结构。与静态状况相对，实现了色散管理的耗散克尔孤子的数量级放大的稳定区。

Description

绝热色散管理的频率梳产生
关于联邦政府资助研究的声明
此发明是在海军研究办公室授予的批准No.N00014-14-1-0041和空军科学研究办公室授予的批准No.FA95500-15-1-0081的政府支持下完成的。政府在该发明中具有一定的权利。
技术领域
发明一般地涉及用于在频率梳中芯片级色散管理的耗散克尔孤子的生成的方法和装置，以及在锁模和脉冲激光器中它们的应用。
背景技术
耗散孤子和来自噪声的非均匀孤立模式的自发形成在跨诸如发育生物学形态产生、远离平衡化学动力学、分形和混沌的形成、光学流氓波的创建以及时空光弹的产生的广泛学科中具有类似物和经验，(见，例如，P.Grelu和N.Akhmediev，Nat.Photon.6，84(2012)；J.M.Dudley等，Nat.Photon.8，755(2014)；以及D.R.Solli等，Nature 450，1054(2007)，其公开由引用并入本文。)由于容易地可取得的参数空间，已利用锁模激光器作为观察超临界和亚临界分岔的有用平台。此包括非线性耗散动力学的研究，其中克尔非线性由腔色散平衡，并且腔损耗由非线性增益和谱过滤补偿。(见，例如，H.A.Haus，J.G.Fujimoto，和E.P.Ippen，J.Opt.Soc.Am.B 8，2068(1991)；以及I.S.Aranson和L.Kramer，Rev.Mod.Phys.74，99(2002)，其公开由引用并入本文。)调查研究已导致孤子爆炸、孤子分子的合成和分解的发现，以及具有前所未有的脉冲能量和输出稳定性的新型锁模激光器的发明。(见，例如，S.T.Cundiff，J.M.Soto-Crespo和N.Akhmediev，Phys.Rev.Lett.88，073903(2002)；V.Roy，M.Olivier，F.Babin和M.Piché，Phys.Rev.Lett.94，203903(2005)；K.Tamura等，Opt.Lett.18，1080(1993)；Phys.Rev.Lett.92，213902(2004)；A.Chong，W.H.Renninger和F.W.Wise，Opt.Lett.32，2408(2007)；X.Wu等，Opt.Express 17，5580(2009)，其公开由引用并入本文。)这种色散管理技术具有扩宽锁模物理的范围的潜能，以及解决由过度累积的非线性相位引起的高能脉冲破碎的问题，其为其中脉冲稳定传播的传统的腔中的严重限制。(见，例如，H.A.Haus等，IEEE J.Quant.Electron.31，591(1995)；T.Yu等，Opt.Lett.22，793(1997)以及B.Bale，S.Boscolo和S.Turitsyn，Opt.Lett.21，3286(2009)，其公开由引用并入本文。
发明内容
实施例涉及一种基于微谐振器的光学频率梳，包括：
光学泵浦，所述光学泵浦被配置为产生光的脉冲；以及
微谐振器腔，所述微谐振器腔包括：
输入波导，所述输入波导被配置为接收由光学泵浦产生的多个脉冲，
具有绝热锥形宽度的微环波导，所述微环波导被配置为产生克尔频率梳，所述克尔频率梳生成单模、色散管理的耗散克尔孤子；
耦合区域，所述耦合区域用于耦合来自输入波导的脉冲到微环波导中，以及
输出波导，所述输出波导被配置为输出由所述微环波导产生的脉冲。
在其他实施例中，所述微谐振器是由Si3N4材料形成的。
在还其他实施例中，所述微环波导的变化的宽度被配置为沿着所述微谐振器腔引起对所述脉冲的振荡群速度色散。
在又其他实施例中，所述振荡群速度色散被配置为类高斯光谱。
在还又其他实施例中，所述耦合区域中的所述输入波导和所述微环波导被配置为单模。
在还又其他实施例中，所述色散是三阶色散效应。
在还又其他实施例中，所述光学泵浦包括外腔二极管激光器ECDL。
在还又其他实施例中，所述微谐振器被配置为在近零的净腔群速度色散下在拉伸脉冲模式中操作。
在还又其他实施例中，所述光的脉冲到所述微环波导中的耦合是近似临界的。
其他实施例涉及微谐振器，包括具有绝热锥形宽度的微环波导，所述微环波导被配置为产生克尔频率梳，所述克尔频率梳生成单模、色散管理的耗散克尔孤子。
在还其他实施例中，所述微谐振器是由Si3N4材料形成的。
在又其他实施例中，所述微环波导的变化的宽度被配置为沿着所述微谐振器腔引起对所述脉冲的振荡群速度色散。
在还又其他实施例中，所述振荡群速度色散被配置为类高斯光谱。
在还又其他实施例中，所述输入波导和所述耦合区域中的所述微环波导被配置为单模。
在还又其他实施例中，所述色散是三阶色散效应。
还其他实施例涉及制造微谐振器的方法，包括：
在半导体芯片衬底顶上沉积下包层氧化物；
在所述下包层氧化物顶上沉积Si3N4层；
光刻图案化和蚀刻所述Si3N4层，以形成具有绝热锥形宽度的色散管理的微环波导；
退火所述波导；以及
用氧化物层覆盖所述微谐振器。
在其他实施例中，至少一个绝热模式转换器被设置在所述微谐振器和总线波导之间。
又其他实施例涉及形成单模、色散管理的耗散克尔孤子的方法，包括：
注入光的脉冲至微谐振器腔中，包括：
输入波导，所述输入波导被配置为接收由光学泵浦产生的脉冲，
具有绝热锥形宽度的微环波导，所述微环波导被配置为产生克尔频率梳；
用于耦合来自所述输入波导的脉冲到所述微环波导中的耦合区域，以及
输出波导，所述输出波导被配置为输出由所述微环波导产生的孤子脉冲。
在其他实施例中，所述微环波导的变化的宽度被配置为沿着所述微谐振器腔引起对所述脉冲的振荡群速度色散。
在还其他实施例中，所述振荡群速度色散被配置为类高斯光谱。
在许多实施例中，发明涉及用于生成色散管理的耗散孤子的方法和装置。
各种实施例涉及包括绝热锥形波导的芯片级色散管理的耗散克尔孤子。
其他实施例涉及包括具有变化宽度的波导的微谐振器，该变化的宽度被配置为沿着腔提供振荡群速度色散(GVD)。
还其他实施例涉及微谐振器，其中波导是由形成的Si3N4形成的。
又其他实施例涉及微谐振器，其中谐振器进一步被配置为抑制模式杂化引起的对耗散孤子的产生的扰动。
还又其他实施例涉及微谐振器，其中微谐振器包括总线波导和腔波导，并且其中两个波导被配置为在耦合区域内是单模的。
还又其他实施例涉及使用绝热锥形谐振器形成稳定孤子和孤子脉冲的方法。
还又其他实施例涉及使用绝热锥形谐振器形成光脉冲、等间隔光脉冲和非等间隔光脉冲中的一个或更多个的多重孤子的方法。
还又其他实施例涉及克服绝热锥形谐振器中的高能脉冲破碎的方法。
另外的实施例和特征部分地在随后的描述中阐述，并且部分地对于本领域技术人员在说明书的检查后将变得是明显的，或者可以由发明的实践来学习。由参考说明书的剩余部分和形成次公开的一部分的附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
参考以下图和数据图将更全面地理解说明书和权利要求，其被呈现为发明的示例性实施例，并且不应被解释为本发明范围的完全的详述。
图1a至1g提供了根据实施例的具有绝热锥形Si3N4微环的色散管理的耗散克尔孤子的产生的测试结果，其中：a)是根据实施例的锥形Si3N4微环的概念示意图和沿着腔的呼吸脉冲演化，其中腔波导的变化的宽度提供振荡群速度色散(GVD)；b)是用高分辨率相干扫描波长干涉仪(SWI)测量的锥形Si3N4微环的冷腔传输的数据图(跨感兴趣的波长区域没有观察到更高阶横模的存在并且Q因子和波长依赖的自由谱范围是从传输测量确定的)；c)是考虑到波导尺寸和材料色散两者的关于波导宽度的Si3N4波导的COMSOL建模的GVD和三阶色散(TOD)(在1598.5nm的泵浦波长下，路径平均GVD和TOD分别是-2.6fs2/mm和-397fs3/mm)(注意红点是对具有1.2μm、1.5μm和1.6μm宽度的波导的测量GVD，示出与仿真结果很好的一致性)；d)FSR的波长依赖性，确定33±9kHz的模式的剩余非等距离，D＝-β2ω2 FSRc/n(在-4.3±1.2fs2/mm处提取的GVD是反常的，与仿真结果很好一致)；e)是在不同态下克尔频率梳的RF幅度噪声，示出过渡进入低相位噪声态，幅度噪声达到探测器背景(大于腔线宽的50倍的5GHz扫描范围)；f)是色散管理的耗散克尔孤子的光谱，用高斯分布(红曲线)而不是sech2分布(绿曲线)更好地拟合(插图：生成设置的照片)；以及g)示出由数值求解平均场Lugiato-Lefever方程获得的腔内波形(具有近零GVD，首先观察到随机间隔的脉冲(顶部)，但是然后在添加TOD时重新组织成单重耗散的克尔孤子(底部))。
图2a至图2e提供根据实施例的超快时间放大器的演化和过渡动力学的研究结果，其中：a)是根据实施例的LLE建模的耗散克尔孤子动力学，包括诸如孤子碰撞、孤子湮灭和孤子融合的特征(其中TR是腔的往返时间)；b)是超快时间放大器(UTM)的概念示意图，是高速数字显微镜系统的时域对应物；c)是根据实施例的UTM系统的示意性设置；d(左图))示出用于在30dBm的芯片上泵浦功率的当泵浦频率以2.1THz/s的速度扫描跨腔谐振时的总功率传输(阶跃信号是低相位噪声孤子态的特征(态2))；d(右图))示出用UTM系统研究和绘出的在这些传输阶跃周围的耗散克尔孤子动力学。
图3a至图3c提供根据实施例的静态和色散管理的耗散克尔孤子之间的稳定区和时间动力学的UTM使能的比较，其中：a)示出具有测量的-33fs2/mm的GVD的均匀微谐振器中静态孤子形成的总功率传输(左面)和2D演化图绘(右面)(仅在最后的传输阶跃处观察到单重孤子，并且对于30kHz的泵浦谐振失谐范围保持稳定，其中腔负载降低至30％，以及芯片上泵浦功率是30dBm)；b)示出锥形微谐振器中色散管理的孤子形成的总功率传输(左面)和2D演化图绘(右面)，示出与静态孤子的相比扩大的稳定区(具有30dBm的芯片上泵浦功率，也观察到从混沌振荡到多重孤子的过渡，并且最终到单重孤子态，不同于a)中所示的静态孤子形成，从多重到单重孤子态的过渡不需要喷出过多的腔内功率，而是沿着逐渐过渡到单孤子态测量到腔负载从38％到52％的单调增加；和c)示出芯片上泵浦功率增加到32dBm，单重孤子态可以跨整个传输阶跃持续并且在400kHz的泵浦谐振失谐范围内保持稳定，而腔负载单调增加到57％(在此泵浦功率水平，在均匀微谐振器中没有观察到稳定的孤子态，插图：在2D映射中由白虚线表示的泵浦谐振失谐处测量的脉冲形状。)
图4a至图4c提供根据实施例的色散管理的耗散克尔孤子的过渡动力学的数据图，其中：a)示出总功率传输(顶面)和实时示波器上的放大的光学波形(底面)(对于其中单重孤子态跨整个传输阶跃持续的情况)；b)示出尽管强烈和快速的孤子相互作用动力学，在过渡之前仍然可辨别的时间脉冲结构；c)示出实际时间等于示波器时间/MUTM；以及d)示出比较，对于其中发生在传输阶跃中的从多重到单重孤子态的过渡的情况，过渡之前的时间结构具有更高的随机性程度。
图5a至图5d提供根据实施例的耗散克尔孤子分子的数据图，其中：a)示出32dBm的泵浦功率下观察到双重态；b)30dBm的泵浦功率下，注意到由3个密堆积的脉冲组成的三重态；c)30dBm的泵浦功率下也发现四重态；d)用32dBm的泵浦功率观察到由等距离孤子双线制成的孤子晶体(交替的蓝红色指示连续的腔往返)。
图6提供根据实施例的沿着锥形微环的TE00模场的横向分布，其中分别示出1μm、2μm、3μm和4μm的波导宽度。
图7a至图7d提供根据实施例的用于基模TE00的锥形微环的仿真GVD和TOD数据，其中：a)和c)提供用于不同波导宽度的色散；以及b)和d)提供沿着微谐振器在泵浦波长(1598.5nm)处的色散。
图8提供根据实施例的色散测量设置，其中，FC：光纤耦合器；FPC：光纤偏振控制器；PBS：偏振分束器；和PD：光探测器。
图9a至图9c提供根据实施例的测量的均匀微谐振器的色散，其中：a)是对于由均一的1.2μm宽的波导制成的微环，测量的模式的非等距离是250±6kHz；b)是对于由均一的1.5μm宽的波导制成的微环，测量的模式的非等距离是762±6kHz；以及c)是对于由均一的1.6μm宽的波导制成的微环，测量的模式的非等距离是765±7kHz。
图10a到图10d使用450fs的输入脉冲提供UTM的表征，其中：a)示出放大的输出脉冲形状，测量54ps的FWHM宽度(在缩小和反卷积之后，它对应于600fs的时间分辨率)；b)示出HNLF之后信号、泵浦和空载的光谱；c)示出作为泵浦和信号之间的延迟的函数的输出时间(暗)和响应度(亮)，测量到72的放大因子和对于第一UTM的30ps的FWHM时间视场；以及d)示出作为泵浦和信号之间的延迟的函数的输出时间(暗)和响应度(亮)，测量到61的放大因子和对于第二UTM的190ps的FWHM时间视场，伴随增加的SNR和降低的像差。
图11a和图11b提供：a)脉冲宽度以及b)来自色散管理的微谐振器的50个脉冲的重复周期(其中黑线是平均值)。
图12a至图12d在绝热锥形Si3N4微环中提供耗散的克尔孤子分子，其中：a至d)提供孤子分子的测量的时间结构，包括双重孤子态、孤子晶体态、三重态孤子态和四重孤子态(上面)；并且也提供相应的耗散克尔孤子分子的相应腔内波形(下面)。
图13a至图13d提供耗散克尔孤子分子的周期，其中：a)示出双重孤子态；b)示出由等距离孤子对制成的孤子晶体；c)提供总结不同类型孤子分子的平均周期的表格；d)示出三重态孤子态；以及e)示出四重孤子态。
具体实施方式
现在转到附图和数据，提供用于提供芯片上的色散管理的耗散克尔孤子的方法和装置。许多实施例提供用于生产这种孤子的微谐振器。在许多实施例中，微谐振器结合了实时动力学测量的频率梳。在各种实施例中，提供方法和装置以确定具有在600fs的时间分辨率的超快时间透镜放大器的快时间轴和经由具有同步光纤频率梳参考的光学采样的慢时间轴两者中的腔内场的时间结构。其他实施例提供用于捕获从混沌振荡到多重孤子到单重孤子态的实时过渡而没有过多腔内功率的喷出的方法和装置。在各种实施例中，与静态状况相对，实现了色散管理的耗散克尔孤子的数量级增大的稳定区。
由高Q因子和小模式体积促进的超高Q微谐振器中的参数振荡已出现作为替代的物理平台，其提供在紧凑的覆盖区中耗散孤子产生的机会。(见，例如，T.Herr等，Nat.Photon.8，145(2014)；S.-W.Huang等，Phys.Rev.Lett.114，053901(2015)；X.Xue等，Nat.Photon.9，594(2015)；X.Yi等，Optica 2，1078(2015)；V.Brasch等，Science 351，357(2016)；C.Joshi等，Opt.Lett.41，2565(2016)；H.Guoet al，Nat.Phys.advance onlinepublication，2016年9月26日(doi 10.1038/nphyS3893)，其公开由引用合并于此。)在这些克尔有源微谐振器中调谐驱动激光器的频率或功率时，可以观察到几个耗散孤子态。此包括，首先自发图灵模式的形成，随后不稳定到时空混沌，以及最终过渡为孤子或孤子分子。(见，例如，Y.K.Chembo和N.Yu，Phys.Rev.A 82，033801(2010)；M.R.E.Lamont，Y.Okawachi和A.L.Gaeta，Opt.Lett.38，3478(2013)；C.Godey等，Phys.Rev.A 89，063814(2014)和H.Zhou等，IEEE Photon.J.7，1(2015)，其公开由引用合并于此。)静态耗散孤子已在反常色散和正常色散状况两者中被观察和被表征。(见上面的引用。)在这些克尔有源谐振器中，也理论上研究了色散管理的耗散孤子，预测了优越的脉冲能量和改善的输出稳定性。(见M.Conforti等，Opt.Lett.39，4200(2014)；以及C.Bao和C.Yang，Phys.Rev.A 92，023802(2015)，其公开由引用并入于此。)耗散孤子，是在大范围的非可积和非保守系统中的基本现象，提供了用于任意光学波形产生、宽带频率合成、小型化频率发条和相干太比特通信的令人兴奋的平台。通过色散管理，呼吸脉冲的演化在锁模物理中提供了新的前景，克服了传统腔中的静态地脉冲传播的限制。
实施例涉及合并非线性动力学和光子频率梳的方法和芯片上的耗散孤子(见，T.J.Kippenberg，R.Holzwarth和S.A.Diddams，“Microresonator-based opticalfrequency combs”，Science 332，555(2011))，在低相位噪声光子振荡器(见S.-W.Huang等，Sci.Rep.5，13355(2015)和W.Liang等，Nat.Commun.6，7957(2015))、宽带光学频率合成器(S.-W.Huang，J.Yang等，Sci.Adv.2，e1501489(2016)和P.Del'Haye等，Nat.Photon.10，516(2016))、小型化光学发条(S.B.Papp等，Optica 1，10(2014))以及相干太比特通信(J.Pfeifle等，Nat.Photon.8，375(2014))中有令人兴奋的应用。
本文的许多实施例涉及芯片级色散管理的耗散克尔孤子，利用绝热锥形的微环波导微谐振器设计同时获得单模操作、高品质因子和色散管理。图1a描绘了在Si3N4的实施例中形成的微谐振器的示例性实施例的示意图，微谐振器(10)一般地由输入波导(12)、耦合区域(14)、输出波导(16)以及具有变化的宽度的微环波导(18)组成，以沿着腔提供振荡群速度色散(GVD)。在实施例中，GVD从在-59fs2/mm的反常改变为在+58fs2/mm的正常(如图1c中所示)，导致每个往返内的腔内脉冲的时间拉伸和压缩。通过相关的传输测量，可以示出色散管理的耗散克尔孤子比传统的均匀微谐振器中的其静态对应物承担更多的脉冲能量。此外，测量的光谱示出与静态孤子的sech2形状特征的明显偏离，以及由于三阶色散(TOD)效应而观察到的不对称性。不同的GVD使其自身呈现更平坦的高斯谱形状。实施例也利用超快时间放大器(UTM)以描绘孤子分子并且首次绘出过渡动力学，说明耗散克尔孤子的复杂的分岔演化。(对于关于UTM的附加的信息，见R.Salem，M.A.Foster和A.L.Gaeta，Adv.Opt.Photon.5，274(2013)以及B.Li等，Opt.Lett.41，1562(2016)，其公开由引用合并于此。)
Si3N4微谐振器设计的实施例不仅提供沿着腔的振荡GVD，而且抑制模式杂化引起的对耗散孤子产生的扰动。耦合区域中的总线波导和腔波导两者被设计为严格单模，从而确保基模的选择性激发和抑制其他横模族。在泵浦模式周围的示例性腔传输在图1b中绘出，在传输谱中没有可观察到的高阶横模。在许多实施例中，获得近临界耦合，而在泵浦模式处的负载Q为1.9×106，并且腔负载为90％。用商业的全矢量有限元方法求解器(COMSOLMultiphysics)计算的图1c中示出的示例性GVD和TOD，考虑了腔的几何和材料的色散两者。路径平均GVD在-2.6fs2/mm处略微反常，导致拉伸脉冲状况中的腔内脉冲动力学。在飞秒锁模光纤激光器中已证明了在近零GVD的拉伸脉冲状况中的操作对实现窄线宽、低相位噪声和阿秒定时抖动是有利的，是推进微波光子学和相干脉冲合成的重要优点。(见，Y.Song，K.Jung和J.Kim，Opt.Lett.36，1761(2011)以及J.Capmany和D.Novak，Nat.Photon.1，319(2007)，其公开由引用并入本文。)在克尔有源谐振器的实施例中也可以使用来自减小的净腔色散的相似的定时抖动降低。为了验证实施例的设计的近零GVD，可以使用高分辨率相干扫描波长干涉仪(SWI)以表征Si3N4微谐振器实施例的冷腔特性。用对芯片上温度的有源控制、对声学噪声的无源屏蔽以及用氰化氢气体标准的精确校准，SWI提供1.2fs2/mm的GVD精度确定为从10次独立的测量计算的标准偏离。从10次测量的净腔GVD的平均值是-4.3fs2/mm(图1d)。
用3.5THz/s的扫描速度将泵浦频率从蓝侧调谐到腔谐振中，观察到稳定的色散管理的耗散克尔孤子，具有近检测器背景的测量的RF幅度噪声谱(图1e)。测量的光谱很好地符合高斯分布(红线)，而不是平方双曲线形状(绿线)，指示拉伸脉冲操作(图1f)。虽然平方双曲线谱形状对于自参考的克尔频率梳可能更好，但类高斯谱的更均衡的近泵浦梳功率谱密度对于诸如天体摄谱仪校准和高容量相干通信的应用是有利的。此外，由于近零GVD，TOD效应被增强，导致在光谱中观察到的非对称性和从泵浦的载波频率偏移(蓝虚线)。这里，如在(P.Parra-Rivas等，Opt.Lett.39，2971(2014)，其公开由引用并入本文)中定义的TOD的相对强度d3高达1.8，并且通过数值分析已示出，克尔有源谐振器中的这种TOD导致振荡和混沌不稳定性的抑制。与由色散管理引入的稳定效应相似，增强的TOD强度通过破坏反射可逆性扩展了耗散克尔孤子的稳定区。由数值求解描述了耗散克尔孤子的动力学的平均场Lugiato-Lefever方程(LLE)，它示出当TOD被添加到微谐振器的实施例时，随机间隔的脉冲(图1g的顶部)重新组织自身为单重耗散克尔孤子(图1g的底部)。数值上获得的47fs的脉冲持续时间与从测量的光谱预期的变换极限的脉冲持续时间很好地一致。
在LLE的数学形式描述中给出：
其中TR、L、α、T、γ和δ分别为往返时间、腔长度、腔损耗、耦合损耗、克尔非线性系数和泵浦谐振失谐，耗散克尔孤子动力学被描绘在由快时间τ和慢时间t张成的两维空间中。虽然在亚皮秒时间尺度的τ维度中详细描述腔内场的时间结构A(t，τ)，在慢得多的亚微秒时间尺度的t维度中绘出演化和过渡动力学，其与微谐振器的腔光子时间关联(图2a)。两个时间维度之间的时间尺度中的数量级差异造成捕获动力学的全面图像的实验挑战。根据实施例，UTM可以用于完全地表征耗散克尔孤子的演化和过渡动力学。利用其中空间衍射和时间色散共享相同的数学表达式的时空对偶原理，UTM是高速数字显微镜系统的时域对应物(图2b)。在根据实施例的图中，元件如以下，ECDL：外腔二极管激光器；WDM：波分复用；EDFA：掺铒光纤放大器；AWG：任意波形产生器；EOM：电光调制器；PD：光探测器；D1、D2和Df是UTM的色散。
沿着快时间轴，腔内场的时间结构被实时示波器放大和捕获。在高度非线性光纤(HNLF)中，在四波混合阶段之前和之后合并合适的GVD(D1和D2)，在我们的UTM中获得72倍的时间放大率和600fs的时间分辨率，用于耗散克尔孤子的时间结构的详细描述。沿着慢时间轴，用同步且稳定的飞秒锁模光纤激光器对演化和过渡动力学光学地采样。高于100MHz的腔谐振线宽的250MHz的帧率由稳定在Rb可驯晶体振荡器上的激光重复率确定(如图2c中所示)。
图2d示出当泵浦频率以2.1THz/s的速度跨谐振扫描时微谐振器的实施例的关于泵浦谐振失谐的总传输。传输偏离洛伦兹线形，但是遵循由热和非线性谐振偏移的组合效应定义的三角形分布，导致最终导致耗散克尔孤子形成的光学双稳态。在谐振的边缘，观察到多重离散的传输阶跃，该阶跃已被认为是耗散克尔孤子的重要属性(图2e)。当形成孤子时，从腔喷出过多的光功率，导致总传输的逐步增加。为了比较静态和色散管理的耗散克尔孤子之间的过渡动力学和稳定区中的差异，可能用泵浦频率扫描同步传输和UTM测量两者，并且关注在这些传输阶跃周围的动力学。根据实施例的均匀微谐振器中静态孤子形成的代表性结果被总结在图3a中。
在一些实施例中，Si3N4微谐振器由1.2×0.8μm2的均匀波导制成，有1.5×106的负载Q，86％的腔负载，以及-33.07fs2/mm的测量的GVD(图1b)。在其中腔负载下降至45％(对应于55％的传输)的第一传输阶跃中，达到双重孤子态并且在第二传输跳跃之前保持稳定在其中改变160kHz的泵浦谐振失谐。腔负载至30％的进一步降低导致单重孤子态的形成，然而其仅存在于30kHz的小的稳定区域中。在此示例中使用30dBm的芯片上泵浦功率，但是对于24dBm和27dBm的泵浦功率，注意到相似的行为。然而，当芯片上泵浦功率超过30dBm时，没有观察到稳定的孤子态。
相比之下，根据实施例的具有明显不同特征的色散管理孤子形成的代表性结果被总结在图3b和图3c中。首先，在30dBm(图3b)和32dBm(图3c)的两功率水平处，观察到稳定的单重孤子，在更高功率处具有实现单重孤子态的更好的成功率。32dBm的芯片上泵浦功率被我们的高功率掺铒光纤放大器的可用功率限制。其次，虽然从混沌到稳定孤子的过渡仍然与传输阶跃关联，但是从多重孤子态到单重孤子态的过渡不再导致过多的腔内功率的进一步喷出。相反，观察到腔负载从38％到52％(图3b)和从36％到57％(图3c)的单调增加。当芯片上泵浦功率是30dBm时，首先在传输阶跃(图3b-I)之后观察到三重态孤子，并且它们的相互作用逐渐地导致在传输阶跃的结束处过渡至单重孤子态(图3b-II)。两个特征说明了色散管理孤子的实施例的优越性，以避免高能脉冲破碎问题和集中更多能量到单重孤子脉冲中。此外，根据实施例的包括多重和单重孤子情况两者的色散管理孤子态的稳定区被扩展到340kHz(图3b)和400kHz(图3c)，与静态孤子的稳定区相比为两倍多。特别是在32dBm的更高的芯片上泵浦功率，单重孤子态可以跨整个传输阶跃持续(图3c)，示出单重孤子稳定区的多于一数量级的显著增大(与30kHz完全不同的400kHz)。
发现此特别稳定的单重孤子态的产生与过渡之前的更清晰的传输曲线(图3中的灰区域)有关，有从20％下降到10％的均方根波动。为了探测此潜在的混沌振荡状况中的实时动力学，以降低测量帧率(图2c中的红虚线框)的代价略微修改UTM以增加信噪比和降低TOD引起的像差。虽然全部系统GVD增加了多于5倍，但是由色散补偿光纤和非零色散偏移光纤的适当组合最小化TOD。用于沿着慢时间轴光学地采样的稳定飞秒锁模光纤激光梳的输出用电光调制器(EOM)脉冲拾取，以降低重复率至25MHz。与锁模脉冲串电子地同步的任意波形产生器(AWG)有效地用作高质量分频器，并且驱动EOM用于以大于20dB的动力学消光比来脉冲拾取。用修改的UTM，不仅可以测量稳定孤子的演化，还可以测量稳定过渡之前的混沌振荡的演化(图4)。在其中单重孤子跨整个传输阶跃保持稳定的情况下(图3c)，过渡之前的时间结构显示为更低混沌，导致更清晰的传输曲线。尽管强烈和快速的孤子相互作用动力学(图4c)，但观察到清晰的时间脉冲结构，并且与其他情况中的混沌振荡相比，随机性程度小得多(图4d)。最后，图5示出在绝热锥形微环的实施例中观察到的其他孤子分子态。不同于在守恒系统中获得的更高阶孤子，耗散孤子分子是稳健的和静止的多脉冲时间结构，其起因于最初独立孤子的集合之间的相互作用，类似绑定动力学。图5a-图5c中分别示出具有双重、三重和四重结构的密堆积孤子分子。另一方面，图5d描绘了孤子晶体，其中双重孤子对以等距顺序自组织。
总之，实施例展示了在绝热锥形Si3N4微环谐振器中的色散管理的耗散克尔孤子。沿着腔的振荡GVD使其自身在类高斯光谱中，其具有比sech2谱形状更均衡的近泵浦梳功率。在其他实施例中，UTM技术可以用于绘出孤子分子和研究这些色散管理的耗散克尔孤子的演化动力学。根据实施例，可以证明色散管理的耗散克尔孤子可以比传统均匀微谐振器中的它们的静态对应物承担更多的脉冲能量。也存在单重孤子稳定区的多于一数量级的显著增大。此外，具有近零净腔GVD的拉伸脉冲操作承诺了对降低克尔频率梳的定时抖动和在未来发展芯片上微波光子学是有利的。
示例性实施例
做实验以证明根据实施例的色散管理的耗散克尔孤子的能力。这些结果和讨论不意味着限制，但仅仅是提供操作设备及其特征的示例。
方法和材料
设备制造：用CMOS兼容工艺制造微谐振器：首先，经由等离子体增强化学气相沉积来沉积5μm厚的下包层氧化物，以抑制衬底损耗。然后经由低压化学气相沉积来沉积800nm厚的Si3N4层，由优化的深紫外光刻图案化，并且经由优化的反应离子干蚀刻来蚀刻。使用透射电子显微镜确定88°的侧壁角。然后对芯片应用在1150℃的温度的退火达3小时，以降低波导传播损耗。最后用3μm厚的氧化物层覆盖色散管理的微谐振器，最初用LPCVD沉积(500nm)，然后用PECVD沉积(2500nm)。绝热模式转换器在芯片侧实现，以改善从自由空间到总线波导的耦合效率，至每面元耦合损耗低于3dB。
用于耗散克尔孤子动力学的2D映射的超快时间放大器：我们的时间透镜通过50-m的高度非线性光纤(HNLF)中的四波混合(FWM)来实现。FWM泵浦由稳定的飞秒锁模光纤激光器而来，伴随其从1554nm到1563nm的谱分量首先由波分复用(WDM2)被过滤出，然后由C波段掺铒光纤放大器(EDFA-C)被放大至50mW。在经由WDM3组合信号和泵浦到FWM级中之前，它们被分别通过两个SMF-28的轴D1和Df啁啾。产生的空载经由WDM4被过滤出，并且然后被通过DCF的轴的输出色散D2啁啾。最后，在设备制造期间，由L波段掺铒表征和测量放大的被过滤和啁啾的空载。
色散的测量：图6示出沿着绝热锥形微环的基本TE00模式的COMSOL建模场分布。在具有完美匹配的层吸收边界和5pm谱分辨率的50nm三角形空间格子上执行建模。微环具有500μm的直径和从1μm到4μm的锥形宽度，以引起沿着腔的有效模式指数、内夫(neff)和色散管理的变化。由于微环直径是足够大的，在我们的微环谐振器中谐振器波导的弯曲损耗和弯曲色散是微不足道的。使用4阶精确中心有限差分方法，我们根据公式数值地评估GVD和TOD(图7)：
以及
对于泵浦波长(1598.5nm)，微谐振器的基模(TE00)的GVD从正常进行到反常，然后当波导宽度从1μm绝热增加到4μm时回到正常，如图7b中所示。当光传播通过锥形微环时，路径平均色散Dave是每个分段中色散的算术平均值：
其中C是微谐振器的总长度(即周长)；D(λ，s)是波长λ的色散，以及在位置s处的分段。增量ds被设置为400nm。使用COMSOL建模的离散数据点的三次样条插值获得关于波导宽度的色散的连续函数(图7b和图7d)。然后使用拟合函数以基于等式(S1)计算路径平均色散。在泵浦波长的锥形微环的路径平均GVD和TOD分别是-2.6fs2/mm和-397fs3/mm。
图8示出色散测量设置的示意图。使用可调谐激光器以60nm/s的调谐率扫描通过其全波长调谐范围来测量微谐振器传输，从该微谐振器传输确定Q因子和FSR值(图1b)。对于绝对波长校准，1％的激光器输出被引导进入光纤耦合的氰化氢气体室，并且然后进入光探测器(PDREF)。在激光扫描期间，由数据采集系统同时记录微谐振器和气体室传输，该数据采集系统的采样时钟来源于监测通过非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)激光传输的高速光探测器(PDMZI)。MZI具有约40m的路径长度差异，使测量光学频率采样分辨率为5MHz。
由拟合气体室传输中呈现的51个吸收特征来确定每个扫描的绝对波长，以确定它们的亚采样位置，为它们分配已知的可跟踪波长和计算线性拟合，以便确定全扫描波长信息。每个谐振用洛伦兹线形拟合，并且然后由分析FSR的波长依赖性来确定微环谐振器的色散。
图9示出具有1.2μm、1.5μm和1.6μm的均一的波导宽度的三个均匀微谐振器的FSR的测量的波长依赖性。从模式的非等距离中提取并从10次独立测量中计算的平均GVD值分别是-33.1fs2/mm，-58.3fs2/mm和-58.3fs2/mm。色散的测量与仿真很好地一致。
两个超快时间放大器的表征：UTM基于电磁束的衍射和电磁脉冲的色散传播之间的数学类比。总群延迟色散(GDD)，定义为GVD和色散介质的长度的乘积，类似于确定束被衍射多少的传播距离。光学透镜给予与k/f成比例的空间二次空间相位，其中焦距f是用于去除由透镜给予的相位所需的衍射的测量。相似地，一人可以由将二次时间相位(线性频率啁啾dω/dτ)给予波形来创建时间透镜。时间焦点GDD、Df被定义为用于去除由时间透镜给予的二次相位所需的GDD。由在适当的测量中级联输入GDD(D1)、时间透镜和输出GDD(D2)来创建UTM系统，以满足时间成像条件：
穿过此系统的任意形状的波形在放大时出现暂时地重新调节：
为了表征UTM系统的性能，使用具有8nm的带宽和1543nm的中心波长的变换极限飞秒脉冲作为测试输入。由二次谐波产生自相关设置独立地测量测试输入的脉冲宽度为450fs。UTM输出波形和光谱如图10a和图10b中所示。我们由测量作为信号和泵浦之间延迟的函数的输出定时和响应度来确定放大因子和FWHM时间视场(图10c和图10d)。对于第一UTM，测量的放大因子和FWHM时间视场是72和30ps。放大的输出脉冲宽度是54ps，对应于使用公式缩小和反卷积之后的600fs的时间分辨率：
其中τT和τi分别是输出和输入脉冲的宽度。
稍后略微修改UTM以从250MHz降低测量帧率到25MHz的代价来增加SNR并且降低TOD引起的像差。(下面的表1提供了UTM的参数。)对于此第二UTM，测量的放大因子和FWHM时间视场是61和190ps。输入色散D1和泵浦色散Df两者被由DCF和LEAF组合做成的特定线性啁啾光纤的轴取代。由于与DCF相比，LEAF具有相反的色散斜率，因此由以7.4的比率适当地组合两种类型的光纤，可以实现没有TOD的线性色散。
脉冲宽度的波动：为了计算单重孤子的脉冲宽度，我们用高斯分布拟合了50个测量的脉冲，并且在缩小和反卷积之后的平均FWHM脉冲宽度是1.7±0.08ps(图11a)。单重孤子的平均重复周期是11.5±0.3ps，如图11b中所示。考虑到实时示波器具有80GS/s的采样率飞秒(fs)，我们将测量脉冲宽度中的波动归因于示波器的145-fs数字化误差：
也观察到耗散克尔孤子分子，如图5和图12中所示。在图13中，我们总结了孤子分子中独立的本构脉冲的重复周期。对于每种类型的克尔孤子分子，采取并分析10次连续的测量。以双重态作为示例(图13a)。第一本构脉冲(蓝)具有11.5±0.3ps的平均重复周期(图13aII)，而第二本构脉冲(红)具有11.6±0.2ps的平均重复周期(13aIII)。在由示波器限制的测量误差内，两本构脉冲具有相同的重复周期，对应于绝热锥形Si3N4微环的FSR的倒数(图1d)。
等同说明
虽然上面的描述包含发明的许多特定实施例，但这些不应被解释为对发明范围的限制，而是作为其一个实施例的示例。因此，发明的范围不应由所示实施例确定，但是应由所附权利要求及其等同物确定。

Claims (20)

1.一种基于微谐振器的光学频率梳，包括：
光学泵浦，所述光学泵浦被配置为产生光的脉冲；以及
微谐振器腔，所述微谐振器腔包括：
输入波导，所述输入波导被配置为接收由光学泵浦产生的多个脉冲，
具有绝热锥形宽度的微环波导，所述微环波导被配置为产生克尔频率梳，所述克尔频率梳生成单模、色散管理的耗散克尔孤子；
耦合区域，所述耦合区域用于耦合来自输入波导的脉冲到微环波导中，以及
输出波导，所述输出波导被配置为输出由所述微环波导产生的脉冲。
2.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述微谐振器是由Si3N4材料形成的。
3.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述微环波导的变化的宽度被配置为沿着所述微谐振器腔引起对所述脉冲的振荡群速度色散。
4.根据权利要求3所述的频率梳，其中所述振荡群速度色散被配置为类高斯光谱。
5.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述耦合区域中的所述输入波导和所述微环波导被配置为单模。
6.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述色散是三阶色散效应。
7.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述光学泵浦包括外腔二极管激光器ECDL。
8.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述微谐振器被配置为在近零的净腔群速度色散处在拉伸脉冲模式中操作。
9.根据权利要求1所述的频率梳，其中所述光的脉冲到所述微环波导中的耦合是近似临界的。
10.一种微谐振器，包括具有绝热锥形宽度的微环波导，所述微环波导被配置为产生克尔频率梳，所述克尔频率梳生成单模、色散管理的耗散克尔孤子。
11.根据权利要求10所述的微谐振器，其中所述微谐振器是由Si3N4材料形成的。
12.根据权利要求10所述的微谐振器，其中所述微环波导的变化的宽度被配置为沿着所述微谐振器腔引起对所述脉冲的振荡群速度色散。
13.根据权利要求12所述的微谐振器，其中所述振荡群速度色散被配置为类高斯光谱。
14.根据权利要求10所述的微谐振器，其中所述输入波导和所述耦合区域中的所述微环波导被配置为单模。
15.根据权利要求10所述的微谐振器，其中所述色散是三阶色散效应。
16.一种制造微谐振器的方法，包括：
在半导体芯片衬底顶上沉积下包层氧化物；
在所述下包层氧化物顶上沉积Si3N4层；
光刻图案化和蚀刻所述Si3N4层，以形成具有绝热锥形宽度的色散管理的微环波导；
退火所述波导；以及
用氧化物层覆盖所述微谐振器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中至少一个绝热模式转换器被设置在所述微谐振器和总线波导之间。
18.一种形成单模、色散管理的耗散克尔孤子的方法，包括：
注入光的脉冲至微谐振器腔中，包括：
输入波导，所述输入波导被配置为接收由光学泵浦产生的脉冲，
具有绝热锥形宽度的微环波导，所述微环波导被配置为产生克尔频率梳；
用于耦合来自所述输入波导的脉冲到所述微环波导中的耦合区域，以及
输出波导，所述输出波导被配置为输出由所述微环波导产生的孤子脉冲。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述微环波导的变化的宽度被配置为沿着所述微谐振器腔引起对所述脉冲的振荡群速度色散。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述振荡群速度色散被配置为类高斯光谱。
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