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研究微谐振器材料中的基本科学问题，为提升光学微梳性能提供理论指导和实验依据，推动实现基于微谐振器材料的光子集成电路相关应用的大规模应用，最终缓解通信网络带宽紧张局面，实现可持续发展，是当前光学微器件相关科学研究的价值和目标所在。鉴于此，美国加州理工学院Qing-Xin Ji (一作)，Peng Liu (一作)，Kerry J. Vahala和加州大学War3 Jin，John E. Bowers等研究者致力于寻找新的方法来解决这些问题。他们的最新研究成果在Science顶刊发题为“Multimodality integrated microresonators using the Moiré speedup effect”的研究论文。本论文以微谐振器研究为切入点，以电调谐理论为方法论，针对光学微梳的热点领域中的一些基本问题，从理论和实验两方面展开了材料基础研究和器件应用的探索。具体而言，通过探索Moire加速色散调谐方法，实现了电调谐器件操作模式的灵活切换，并在光通信C波段上实现了布里渊激光、亮微梳和暗微梳的可调操作。Si3N4耦合环谐振器是光子集成电路中的重要组成部分，其具有高固有Q因子和特定的FSR差异，这些是衡量其性能的关键指标。为了实现对色散的广泛电控制，研究人员采用了Moiré速度加速调谐方法，通过差动热调谐实现了对色散的宽带电控制。他们构建了一对耦合的Si3N4环谐振器，利用沉积在环周围的金属加热器来实现电调谐。通过对其中一个环施加电压，可以实现相应谐振器的频率规则移位，从而通过速度加速效应引发色散的大幅频谱移位。实验结果显示，通过简单的电调谐，可以实现超过电信C波段的大范围色散变化，使得单个器件能够在多种不同的操作模式下按需重新配置。具体实验数据显示，单个器件可以分别作为布里渊激光器（SBL）、亮脉冲微梳和暗脉冲微梳操作，并显示了相应的光谱和光探测输出。此外，由于器件的高光学Q因子和低功率特性，直接泵浦也是可能的。这项研究成功地展示了一种基于Si3N4耦合环谐振器的混合集成器件，实现了广泛的色散调谐，为光子集成电路的灵活性和多功能性提供了新的可能性。图1. 混合集成的微谐振器和光泵，可以作为布里渊激光器、亮微梳或暗脉冲微梳源进行操作，具有按需电气控制和用户定义的跨波段波长为了解释Moiré速度加速效应，研究者在图2中进行了详细的实验和分析。在图2A中，展示了由环A和环B谐振器中的模式频率形成的Moiré图案。该图案在模式耦合的作用下决定了模式混合和色散特性。通过对环B中的模式进行微小的光频率调谐，借助Vernier比率R的放大效应，引发了Moiré图案的巨大移位，如蓝色阴影区所示。图2B展示了两个混合频率带的综合色散，其中通过差分调谐环的FSR来测量。结果显示，整体色散曲线发生了2.0 THz的移位，相应的温度差估计为6°C，对应频率移位为10 GHz。图中还呈现了配套的色散模型的曲线，用于解释实验结果。在图2C中，进行了上下频率带的公共模调谐实验，结果显示在这种情况下没有可测量的色散变化。这表明了差分调谐的关键性，因为公共模调谐未引起明显的色散变化。最后，在图2D中，通过将图2A中的差分调谐效应与频率关联，研究者推导出差分温度变化，得到了关键的差分调谐效率。该效率为19.2 GHz/W，相应的相位变化为6.2 × 10^-4/W。这为理解和量化Moiré速度加速效应提供了重要的实验数据。总体而言，图2的实验结果揭示了Moiré速度加速效应的机制，说明了微小的频率调谐是如何通过Vernier比率放大，从而引发大幅色散变化的。这项研究为灵活控制微谐振器的色散特性提供了理论基础，有望在光子集成电路等领域带来更多的应用可能性。为了展示单个器件在不同模式下的操作以及在任意模式下操作波长的广泛调谐能力，研究者进行了图3的实验。在图3A中，绘制了两种调谐配置下频率间隔与相对模式数的图表，其中灰色区域表示布里渊相位匹配可能的范围，橙色区域表示可访问的频率间隔范围。实验结果表明，使用单个设备可以在整个光学C波段进行布里渊激光器的操作。图3B展示了布里渊激光器在光学C波段的实验验证，其中光谱显示了一系列泵浦和布里渊激光器的操作波长。图3C展示了在任意泵浦波长下进行暗色和亮色脉冲生成的宽带群速度色散（GVD）调节。实验结果表明，通过调节谐振器的色散，可以在亮或暗模式下进行操作，进一步证实了单个设备的灵活性和多功能性。因此，这些实验结果揭示了该器件在光子集成电路中的潜在应用，并为光学器件的设计提供了重要参考。图3. 布里渊激光器、亮孤子微梳和暗脉冲微梳的宽带操作作者展示了单个微腔器件在电学上可重新配置，以实现布里渊激光器、明亮孤子微梳或暗脉冲微梳的操作。这一功能使得来自同一晶片的相同器件能够用于非常不同的应用，甚至在同一光子芯片上进行混合模式操作。该模块由混合集成的DFB激光器（无光学隔离器或放大器）和耦合环谐振器组成，具有完全异质集成的能力。色散重配置还与具有较大FSR和更快执行器的微腔器件兼容，包括需要时的压电器和电光控制。其他可能从增强的可调谐性中受益的潜在应用包括谐振电光频率和太赫兹波产生。Qing-Xin Ji et al. ,Multimodality integrated microresonators using the Moiré speedup effect.Science383,1080-1083(2024).DOI:10.1126/science.adk9429【做测试 找华算】华算科技专注测试分析服务、自有球差电镜机时、全球同步辐射资源，10000+单位服务案例！
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