【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】10月6號， Nature子刊《Nature Communications》發(fā)表題為“Boosting silica micro-rod Q factor to 8.28 × 109 for fully stabilizing a soliton microcomb“的學(xué)術(shù)論文。研究團隊提出了一種定量分析微腔損耗和提升微腔品質(zhì)因子(Q因子)的創(chuàng)新方法，實現(xiàn)了二氧化硅微棒腔8.28 × 109的超高本征Q因子，逼近理論極限。進一步地，將該超高Q因子微腔作為集成頻率參考，實現(xiàn)了孤子微梳的全穩(wěn)定。
該論文由北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，信息光子學(xué)與光通信全國重點實驗室聯(lián)合電子科技大學(xué)、中國電子科技集團公司信息科學(xué)研究院、集成電路與微系統(tǒng)全國重點實驗室等單位完成。北京郵電大學(xué)信通院博士生潘廷煬為第一作者，北京郵電大學(xué)楊大全教授、黃善國教授等為本文共同通訊作者。
光學(xué)微腔能夠在空間和時間維度上限制光場，其核心指標(biāo)——品質(zhì)因子(Q因子)決定了光子諧振壽命。Q因子越高，光與物質(zhì)相互作用越強，可大幅提升腔內(nèi)功率、降低非線性效應(yīng)閾值，是構(gòu)建精密激光光源、光學(xué)頻率梳的核心載體。微腔的本征損耗由輻射損耗、散射損耗、吸收損耗以及污染物損耗構(gòu)成(如圖1a所示)。目前，減輕輻射、散射以及吸收損耗等策略是提升Q因子的主流方法。然而，二氧化硅微腔的本征Q因子(Q0，通常在108量級)仍遠低于理論極限(Qabs，通常趨近1010量級)。因此，定量分析和表征影響微腔Q因子各種損耗貢獻，和去除污染物損耗，是進一步提升Q因子最重要也是最終的關(guān)鍵一步。
圖1 微諧振器中的本征損耗、微腔實物圖及腔內(nèi)損耗量化分析
本工作以二氧化硅回音壁模式(WGM)微腔作為研究平臺(如圖1b所示)。通過系統(tǒng)量化分析腔內(nèi)各類損耗的貢獻比例(如圖1c所示)，發(fā)現(xiàn)Qabs: 1.3×1010;Qsca: 3.75×108;Qcont: 1×109。根據(jù)理論計算和實驗測量，精確地顯示，在二氧化硅WGM微腔中，污染物損耗是限制Q因子提升和長期穩(wěn)定保持的主要因素。為了提高微腔的Q因子，研究團隊通過巧妙的兩步激光拋光與氮氣熱處理技術(shù)(如圖2所示)，顯著降低了表面粗糙度(散射損耗)與污染物附著(污染物損耗)，最終將Q因子提升至8.28 × 109，并長期穩(wěn)定在7 × 109，實現(xiàn)兩個數(shù)量級的提高，逼近理論極限(1.2×1010)。此外，本文的技術(shù)方案具備良好的可拓展性，研究團隊已成功將其應(yīng)用于二氧化硅微球腔、片上Toriod腔及氟化鎂腔等多種微腔平臺的Q因子提升中。
圖2 通過兩步激光拋光和氮氣熱處理提高Q因子
進一步，為了驗證該超高品質(zhì)因子微腔的實際應(yīng)用潛力，研究團隊對超高Q微腔完成了小型化封裝，并作為高相干光學(xué)頻率參考成功實現(xiàn)了對片上孤子微梳系統(tǒng)的全穩(wěn)定反饋，實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在泵浦頻率處實現(xiàn)了超過45.2 dB的相位噪聲抑制，重復(fù)頻率處的相位噪聲抑制超過60.6 dB(如圖3所示)，展現(xiàn)出優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性和抗干擾能力。
圖3 利用超高Q因子微腔實現(xiàn)片上孤子微梳的全穩(wěn)定方案和相位噪聲抑制性能
本研究提出了一種定量分析、表征和提升微腔品質(zhì)因子的方法，并將其應(yīng)用于集成光學(xué)頻率梳的鎖定。通過定量表征并有效抑制各類損耗，特別是長期被忽視的污染物損耗，實現(xiàn)了Q因子從107量級到109量級(8.28 × 109)的跨越，逼近理論極限。據(jù)此，以Q增強微棒腔為頻率參考，實現(xiàn)了高性能的全穩(wěn)定孤子克爾微梳。這不僅深化了對微腔內(nèi)損耗機制的理解，也為超高Q因子微腔光子器件在精密測量、量子感知等應(yīng)用領(lǐng)域提供了強有力的技術(shù)支撐。
該項研究得到了國家重點研究計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金以及信息光子學(xué)與光通信全國重點實驗室的大力支持。
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