光子晶体环形谐振腔中带隙失谐激发新机制：实现高效可控非线性光学态工程

为解决微谐振器中非线性相互作用调控难题，美国国家标准与技术研究院团队创新性提出带隙失谐激发机制，通过设计光子晶体环形谐振腔(PhCR)非泵浦模式的带隙结构，实现了光学参量振荡器(OPO)和孤子微梳的高效相位匹配。该研究突破传统泵浦模式分裂的限制，将正向转换效率提升至48%，为高容量光通信和量子传感提供了新型光源设计方案。

　　

在集成光子学领域，微谐振器中的非线性光学现象一直是研究热点。传统的光子晶体环形谐振腔(PhCR)通过泵浦模式的分裂实现非线性相互作用调控，但这种方法存在固有缺陷：强反向散射导致阈值功率升高、转换效率受限，且新生光场主要向泵浦源方向反向传播。这些限制严重制约了微谐振器在光通信、光谱学和量子技术等领域的应用潜力。美国国家标准与技术研究院的Yan Jin团队在《Nature Communications》发表的研究，开创性地提出了"带隙失谐激发"新机制，通过精确设计非泵浦模式的带隙结构，实现了对光学非线性态的精准操控。

研究团队采用耦合模Lugiato-Lefever方程(LLE)理论建模，结合纳米加工技术制备氧化钽(Ta₂O₅)光子晶体环形谐振腔，通过光学频率梳表征技术测量集成色散D_int，并建立存在性图谱指导器件设计。实验系统包含可调谐连续波激光器、掺铒光纤放大器(EDFA)和光学频谱分析仪(OSA)等关键设备。

Results

基准OPO性能比较
通过对比传统(μ_s=0)和带隙失谐(μ_s=10)两种机制发现，后者将正向传播光功率占比从41%提升至48%。有效集成色散D?_int分析表明，带隙失谐机制通过ε_μ>0的蓝移模式激发，增强目标模式的克尔位移Δ_μ，实现更高效的相位匹配。

存在性图谱与相位匹配
建立以分裂模式数μ_s和带隙强度Γ_μ/κ为参数的OPO存在图谱，实验验证当μ_s=1时重复频率偏移δω_rep/2π=410 MHz，μ_s=-1时为-509 MHz，与理论预测的392 MHz和-459 MHz高度吻合。这种符号相关性证实了通过μ_s选择可主动控制光频梳线间距。

孤子微梳生成
在μ_s=±1的PhCR中，测得D₂/2π=-12.3 MHz的异常色散，生成正向传播的暗孤子。由于Γ₁>Γ_-1导致δω_rep>0，形成μ<0方向更平坦的非对称光谱，实测δω_rep/2π=21 MHz，正向效率达37%。

多模式工程应用
扩展设计包括：μ_s=±3时产生三脉冲孤子晶体；|μ_s|≤10的多带隙结构实现正常色散下的亮孤子，尽管反向散射增加，仍在|μ|≤10模式集中24%的功率形成单脉冲。

讨论与结论

该研究建立的带隙失谐激发机制，通过引入有效集成色散D?_int这一新概念，实现了对微谐振器非线性态的定量描述和精准调控。相比传统PhCR，新方案具有三大优势：阈值功率降低30%、最高转换效率提升至48%、实现正向发射主导(>70%)的光场分布。这种模式选择性的带隙工程为光学参量振荡器和孤子微梳提供了前所未有的控制维度，在高容量光通信系统中可同时优化功率效率和发射方向性，在量子传感领域则为制备特定频率关联的光子对开辟了新途径。研究展示的"冷腔设计-热腔验证"方法学框架，为下一代集成非线性光子器件的逆向设计奠定了理论基础。