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纳米舞台上的乐谱交响：超低阈值参量振荡器奏响多倍频程“和弦”
超宽带频率梳相干地统一了电磁波谱的远端部分，它们是超快科学发现的基础，也是现代光子技术的基石。尽管在集成频率梳源方面取得了巨大进展，但在芯片上实现多倍频程操作仍然难以实现。近日，加州理工学院联合纽约城市大学研究人员使用纳米光子铌酸锂中的光参量振荡器，仅用飞秒焦耳的泵浦能量，演示了多倍频程频率梳的产生。文章具体内容以《Multi-octave frequency comb from an ultra-low-threshold nanophotonic parametric oscillator》为名发表于《Nature Photonics》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01753-7
宽带光频梳是现代光学的伟大成就之一。最近，人们越来越多地致力于在纳米光子平台中实现宽带频率梳。然而，集成频率梳源的光谱覆盖范围仍然远远落后于使用高脉冲能量激光器和分立元件的台式同类产品。短脉冲频率梳的集成源通常产生皮焦耳或毫焦耳的脉冲能量，它们的光谱覆盖范围几乎达到八度，这使得许多应用需要进一步的光谱加宽阶段。
显著的光谱展宽通常是通过传递0.1-10的飞秒或皮秒脉冲来实现的 nJ通过波导、晶体或光纤的能量，具有二次（χ（2））或克尔（χ（3））非线性，适用于各种设计。虽然二次非线性的波导比立方波导更优越的性能。然而，要达到相干光谱的八度音阶及以上，它们仍然需要数十皮焦耳的能量。因此，需要提高光谱展宽共振增强的能量需求。适当的谐振器设计对于实现一种操作机制是必要的，在这种机制中，一系列二次非线性过程可以产生相干光谱展宽，从而实现多倍频程操作。
通往这种多倍频程非线性谐振器的一条有前景的途径是基于同步泵浦简并光参量振荡器（OPO）。最近的研究表明，同步泵浦OPO在极端脉冲缩短和光谱展宽以及保持泵浦的相干特性方面具有潜力。然而，在非线性晶体中色散工程的缺乏、低参数增益带宽和多皮焦耳阈值限制了它们在紧凑型和超宽带频率梳应用中的应用。
铌酸锂纳米光子学中色散工程光学参量放大器和窄带同步泵浦OPO的最新发展有望克服这些限制，并获得以前无法获得的超宽带超低能量非线性光学的新体制。该团队设计和实现了一种片上同步泵浦OPO，其特点是低精细度谐振器，仅耦合泵浦半谐波附近的频率，使泵浦及其高次谐波不谐振。图1a展示了片上同步泵浦OPO的设计，其制造的器件如图1b所示。输入/输出耦合器被设计为仅允许在泵浦的半谐波附近发生谐振，并且腔体被设计为对这些波长的色散最小。
图1 多倍频程纳米光子OPO的原理和设计。 a、 薄膜铌酸锂上同步泵浦OPO的图示。b、当中心的一个设备以1μm泵浦时，几个设备的显微镜图像。c，展示短泵浦脉冲如何利用近零色散工程光参量放大器的图示。d，描述了作为泵浦脉冲能量函数的OPO的不同操作模式，以及每种模式下OPO的往返时间输出。
为了在飞秒焦耳泵浦脉冲能量下实现超高、超宽、相敏增益，实现相干宽带梳状生成，OPO包括一个10.8mm的光学参量放大器，具有适当的色散工程和QPM。图1d显示了当将100 fs泵浦耦合到近零色散工程波导时可以获得的大增益带宽。在低泵浦脉冲能量下，当增益克服腔内损耗时，OPO会超过阈值。在较高的泵浦脉冲能量下，退化的OPO会转变为不稳定的操作状态，在这种状态下，锁相操作会减少。然而，在这里，研究人员发现远高于阈值，由于腔补偿了非线性相位，OPO可以过渡到锁相状态，在有限次数的往返之后，在多倍频程的情况下，输出脉冲强度表现出超短特征的稳定。
在图2a-c中，研究人员展示了纳米光子OPO的近阈值性能。通过600Hz扫描泵的重复率，观察到OPO的振荡峰值（图2a），这些峰值是双谐振操作的特征。。图2b显示了三个这样的峰值在泵浦重复周期和腔往返时间之间不同失谐量下的近阈值信号谱。图2c中显示了这些相同峰值的测量输入输出脉冲能量增长。对于这个峰值，研究人员估计OPO阈值约为18fJ.
图2 OPO特征。a，当泵浦激光腔内的PZT换能器以600Hz调制泵浦重复率时，OPO的振荡峰值接近阈值。b、三种不同往返失谐的35fJ泵浦能量下的信号谱。c，不同振荡峰的对应OPO信号增长与泵浦能量及其斜率效率的函数关系。d，在54fJ、109fJ和121fJ的泵浦能量下，OPO腔的输出光谱、OPO振荡峰和拍音测量。
图2d显示了OPO的三个特征输出光谱。在泵能量为54fJ时，观察到传统的OPO行为。泵浦、半谐波和二次谐波信号的频谱变宽，泵浦和半谐波之间产生了明显的和频。在109fJ的泵浦能量下，观察到600nm至2710nm的连续光谱，在121fJ下，观测到443nm至2676nm的连续光谱。值得注意的是，121fJ的光谱在光谱的长波长侧有一些独特的特征，而在109fJ泵浦的情况下则没有。
为了表征这些泵浦脉冲能量下OPO的相干性，该团队成员使用中心位于2.1μm左右的滤波器，将芯片输出与由同一激光器泵浦的自由空间OPO的输出进行干涉。当在相干状态下工作时，阈值以上简并OPO的半谐波输出梳可以有两个可能的CEO频率。对于图2d中的相干测量，研究人员通过控制泵浦重复率的压电（PZT）致动器扫描泵浦腔随时间的失谐。在54fJ的泵浦能量下，图2d（ii）显示，片上OPO在某些失谐量下表现出特征，其相干性由OPO之间的frep/2拍音反映出来（图2d（iii））。在泵浦能量为109fJ的情况下，OPO功率和节拍中都缺乏这些特征，这表明片上OPO已经从相干状态转变为非相干状态。然而，在121fJ时，OPO峰结构和RF节拍再次出现，标志着连贯操作机制的重新出现。
为了解释这种远高于阈值的OPO的动力学，以及如何在如此宽的光谱范围内建立相干性，该团队转向数值模拟。为了捕捉OPO中发生的多倍频程非线性相互作用，将纳米光子腔中的电场建模为频域中的单个包络，该包络使用分步傅里叶方法在周期极化铌酸锂区域传播，并使用线性滤波器进行腔反馈。
图3a展示了当使用与实验参数匹配的参数时，如何捕捉到不同的操作模式。在16fJ时（图3a（i）），OPO超过阈值，并在约20次往返后稳定下来。随着泵浦脉冲能量的增加，形成OPO所需的往返次数减少，在137fJ（图3a（ii））的泵浦能量（阈值以上约9倍）下，看到OPO输出是非相干的。最后，在泵浦能量约为204fJ（图3a（iii））（阈值以上约13倍）时，可以看到半谐波重新获得相干性，建立了一个时间特征短至4fs的双倍频程连续梳状。
图3 模拟结果显示了纳米光子OPO的不同操作模式。a、当泵浦能量增加时，从（i）近阈值相干操作到（ii）非相干操作和（iii）回到相干操作的转变。b，三倍频程相干OPO。
在模拟中，进一步研究了如何将OPO的相干操作扩展到更宽的光谱。通过用啁啾极化周期替换周期极化铌酸锂区域的最后1mm，以实现高效的二次谐波和和频生成，使用这种方法，该团队实现了具有~250fJ泵浦能量的相干三倍频程连续频率梳（图3b）。
图4将研究团队的结果与其他集成光谱展宽方案和同步泵浦OPO进行了比较。展示了此纳米光子OPO设计及其操作机制如何使相干光谱展宽的能效提高了几个数量级。
图4 集成频谱展宽和频率梳同步泵浦OPO的性能比较。a、集成频率梳谱展宽方案的波长覆盖和泵浦脉冲能量。b、同步泵浦OPO的梳状重复率和泵浦阈值能量。
该文章通过实验证明了一种在近零GVM、零GVD、飞秒泵浦、高增益低精细度范围内工作的近同步泵浦纳米光子OPO，其超宽带相干输出仅为约1212.6倍频梳为片上应用提供了前所未有的机会，包括波分复用、双梳光谱和频率合成。此外，还展示了OPO从非相干操作状态到相干操作状态的转变，并展示了在飞秒焦耳状态下通往更宽频率梳状源的路径。
纳米舞台上的乐谱交响：超低阈值参量振荡器奏响多倍频程“和弦”
超宽带频率梳相干地统一了电磁波谱的远端部分，它们是超快科学发现的基础，也是现代光子技术的基石。尽管在集成频率梳源方面取得了巨大进展，但在芯片上实现多倍频程操作仍然难以实现。近日，加州理工学院联合纽约城市大学研究人员使用纳米光子铌酸锂中的光参量振荡器，仅用飞秒焦耳的泵浦能量，演示了多倍频程频率梳的产生。文章具体内容以《Multi-octave frequency comb from an ultra-low-threshold nanophotonic parametric oscillator》为名发表于《Nature Photonics》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01753-7
宽带光频梳是现代光学的伟大成就之一。最近，人们越来越多地致力于在纳米光子平台中实现宽带频率梳。然而，集成频率梳源的光谱覆盖范围仍然远远落后于使用高脉冲能量激光器和分立元件的台式同类产品。短脉冲频率梳的集成源通常产生皮焦耳或毫焦耳的脉冲能量，它们的光谱覆盖范围几乎达到八度，这使得许多应用需要进一步的光谱加宽阶段。
显著的光谱展宽通常是通过传递0.1-10的飞秒或皮秒脉冲来实现的 nJ通过波导、晶体或光纤的能量，具有二次（χ（2））或克尔（χ（3））非线性，适用于各种设计。虽然二次非线性的波导比立方波导更优越的性能。然而，要达到相干光谱的八度音阶及以上，它们仍然需要数十皮焦耳的能量。因此，需要提高光谱展宽共振增强的能量需求。适当的谐振器设计对于实现一种操作机制是必要的，在这种机制中，一系列二次非线性过程可以产生相干光谱展宽，从而实现多倍频程操作。
通往这种多倍频程非线性谐振器的一条有前景的途径是基于同步泵浦简并光参量振荡器（OPO）。最近的研究表明，同步泵浦OPO在极端脉冲缩短和光谱展宽以及保持泵浦的相干特性方面具有潜力。然而，在非线性晶体中色散工程的缺乏、低参数增益带宽和多皮焦耳阈值限制了它们在紧凑型和超宽带频率梳应用中的应用。
铌酸锂纳米光子学中色散工程光学参量放大器和窄带同步泵浦OPO的最新发展有望克服这些限制，并获得以前无法获得的超宽带超低能量非线性光学的新体制。该团队设计和实现了一种片上同步泵浦OPO，其特点是低精细度谐振器，仅耦合泵浦半谐波附近的频率，使泵浦及其高次谐波不谐振。图1a展示了片上同步泵浦OPO的设计，其制造的器件如图1b所示。输入/输出耦合器被设计为仅允许在泵浦的半谐波附近发生谐振，并且腔体被设计为对这些波长的色散最小。
图1 多倍频程纳米光子OPO的原理和设计。 a、 薄膜铌酸锂上同步泵浦OPO的图示。b、当中心的一个设备以1μm泵浦时，几个设备的显微镜图像。c，展示短泵浦脉冲如何利用近零色散工程光参量放大器的图示。d，描述了作为泵浦脉冲能量函数的OPO的不同操作模式，以及每种模式下OPO的往返时间输出。
为了在飞秒焦耳泵浦脉冲能量下实现超高、超宽、相敏增益，实现相干宽带梳状生成，OPO包括一个10.8mm的光学参量放大器，具有适当的色散工程和QPM。图1d显示了当将100 fs泵浦耦合到近零色散工程波导时可以获得的大增益带宽。在低泵浦脉冲能量下，当增益克服腔内损耗时，OPO会超过阈值。在较高的泵浦脉冲能量下，退化的OPO会转变为不稳定的操作状态，在这种状态下，锁相操作会减少。然而，在这里，研究人员发现远高于阈值，由于腔补偿了非线性相位，OPO可以过渡到锁相状态，在有限次数的往返之后，在多倍频程的情况下，输出脉冲强度表现出超短特征的稳定。
在图2a-c中，研究人员展示了纳米光子OPO的近阈值性能。通过600Hz扫描泵的重复率，观察到OPO的振荡峰值（图2a），这些峰值是双谐振操作的特征。。图2b显示了三个这样的峰值在泵浦重复周期和腔往返时间之间不同失谐量下的近阈值信号谱。图2c中显示了这些相同峰值的测量输入输出脉冲能量增长。对于这个峰值，研究人员估计OPO阈值约为18fJ.
图2 OPO特征。a，当泵浦激光腔内的PZT换能器以600Hz调制泵浦重复率时，OPO的振荡峰值接近阈值。b、三种不同往返失谐的35fJ泵浦能量下的信号谱。c，不同振荡峰的对应OPO信号增长与泵浦能量及其斜率效率的函数关系。d，在54fJ、109fJ和121fJ的泵浦能量下，OPO腔的输出光谱、OPO振荡峰和拍音测量。
图2d显示了OPO的三个特征输出光谱。在泵能量为54fJ时，观察到传统的OPO行为。泵浦、半谐波和二次谐波信号的频谱变宽，泵浦和半谐波之间产生了明显的和频。在109fJ的泵浦能量下，观察到600nm至2710nm的连续光谱，在121fJ下，观测到443nm至2676nm的连续光谱。值得注意的是，121fJ的光谱在光谱的长波长侧有一些独特的特征，而在109fJ泵浦的情况下则没有。
为了表征这些泵浦脉冲能量下OPO的相干性，该团队成员使用中心位于2.1μm左右的滤波器，将芯片输出与由同一激光器泵浦的自由空间OPO的输出进行干涉。当在相干状态下工作时，阈值以上简并OPO的半谐波输出梳可以有两个可能的CEO频率。对于图2d中的相干测量，研究人员通过控制泵浦重复率的压电（PZT）致动器扫描泵浦腔随时间的失谐。在54fJ的泵浦能量下，图2d（ii）显示，片上OPO在某些失谐量下表现出特征，其相干性由OPO之间的frep/2拍音反映出来（图2d（iii））。在泵浦能量为109fJ的情况下，OPO功率和节拍中都缺乏这些特征，这表明片上OPO已经从相干状态转变为非相干状态。然而，在121fJ时，OPO峰结构和RF节拍再次出现，标志着连贯操作机制的重新出现。
为了解释这种远高于阈值的OPO的动力学，以及如何在如此宽的光谱范围内建立相干性，该团队转向数值模拟。为了捕捉OPO中发生的多倍频程非线性相互作用，将纳米光子腔中的电场建模为频域中的单个包络，该包络使用分步傅里叶方法在周期极化铌酸锂区域传播，并使用线性滤波器进行腔反馈。
图3a展示了当使用与实验参数匹配的参数时，如何捕捉到不同的操作模式。在16fJ时（图3a（i）），OPO超过阈值，并在约20次往返后稳定下来。随着泵浦脉冲能量的增加，形成OPO所需的往返次数减少，在137fJ（图3a（ii））的泵浦能量（阈值以上约9倍）下，看到OPO输出是非相干的。最后，在泵浦能量约为204fJ（图3a（iii））（阈值以上约13倍）时，可以看到半谐波重新获得相干性，建立了一个时间特征短至4fs的双倍频程连续梳状。
图3 模拟结果显示了纳米光子OPO的不同操作模式。a、当泵浦能量增加时，从（i）近阈值相干操作到（ii）非相干操作和（iii）回到相干操作的转变。b，三倍频程相干OPO。
在模拟中，进一步研究了如何将OPO的相干操作扩展到更宽的光谱。通过用啁啾极化周期替换周期极化铌酸锂区域的最后1mm，以实现高效的二次谐波和和频生成，使用这种方法，该团队实现了具有~250fJ泵浦能量的相干三倍频程连续频率梳（图3b）。
图4将研究团队的结果与其他集成光谱展宽方案和同步泵浦OPO进行了比较。展示了此纳米光子OPO设计及其操作机制如何使相干光谱展宽的能效提高了几个数量级。
图4 集成频谱展宽和频率梳同步泵浦OPO的性能比较。a、集成频率梳谱展宽方案的波长覆盖和泵浦脉冲能量。b、同步泵浦OPO的梳状重复率和泵浦阈值能量。
该文章通过实验证明了一种在近零GVM、零GVD、飞秒泵浦、高增益低精细度范围内工作的近同步泵浦纳米光子OPO，其超宽带相干输出仅为约1212.6倍频梳为片上应用提供了前所未有的机会，包括波分复用、双梳光谱和频率合成。此外，还展示了OPO从非相干操作状态到相干操作状态的转变，并展示了在飞秒焦耳状态下通往更宽频率梳状源的路径。