硅基微谐振器中近红外孤子晶体的确定性产生与宽带参量振荡研究

《Laser & Photonics Reviews》：Near-Infrared Soliton Crystal Generation in Silicon Resonators

　　

耗散Kerr孤子（dissipative Kerr solitons, DKS）为各类光子应用提供了相干、低噪声、多波长的光源。然而，由于严重的双光子吸收（two-photon absorption, TPA）和自由载流子吸收（free-carrier absorption, FCA），硅材料中近红外DKS的实验实现至今未见报道。本研究报告了在电信波段（1.55 μm）单片硅谐振器中确定性低噪声孤子晶体（soliton-crystal, SC）态的首个实验证据。研究人员通过协同结合用于快速自由载流子抽取的有源横向p–i–n结与精确的空间模式色散工程，克服了硅中的非线性损耗，实现了稳健的参量振荡。基于该策略，一个避免模式交叉（avoided mode crossing, AMX）为具有2-FSR和3-FSR梳齿间隔的SC态提供了确定性路径，其特征表现为sech2包络、明显的功率台阶和低射频（radiofrequency, RF）噪声。此外，一个近零色散谐振器产生了覆盖S、C和L波段超过300 nm的级联子梳宽带光参量振荡（optical parametric oscillation, OPO），这与SC态截然不同。上述结果证明了单片硅中电信波段非线性光子梳的产生，并有望未来与硅光子和CMOS组件实现协同集成。

论文解读

一、研究背景与意义

光学频率梳凭借其多波长光谱特性，在并行相干光通信、光学测距、光原子钟及光子量子关联等领域展现出广阔的应用前景。其中，耗散Kerr孤子（DKS）态因其宽带光谱和低噪声微波拍频特性备受关注，已在氮化硅（Si₃N₄）、铌酸锂（LiNbO₃）以及AlGaAs等平台上得到广泛研究。硅光子学作为半导体技术中的主导平台之一，正快速满足人工智能、高容量数据互连和光子量子系统的需求。然而，在电信波段（约1.55 μm），硅材料受双光子吸收（TPA）和自由载流子吸收（FCA）的根本性限制，TPA提供与泵浦功率二次方相关的高非线性损耗，严重阻碍了Kerr梳的产生；TPA还会产生高密度自由载流子，导致显著的FCA损耗，这些效应通常会使谐振腔共振失稳并将腔内场钳制在参量振荡和孤子形成阈值以下。因此，硅基孤子态此前仅在中红外波段（>2.2 μm）以多DKS态形式得到验证，近红外波段的硅Kerr梳仅限于多泵浦的窄带宽频移方案。尽管理论研究已表明在精心设计的条件下可在硅中实现电信波段Kerr梳甚至DKS态，但实验验证一直是长期公认的挑战。鉴于硅光子学与CMOS电子学的可扩展性和协同集成能力，在标准硅中演示Kerr孤子微梳将扩展单片硅平台上的非线性功能。

二、研究内容与核心发现

研究人员在标准代工制造（foundry-fabricated）的硅微环谐振器（MRR）中，在电信波长下首次实验证明了孤子晶体态的形成，并在另一近零色散器件中实现了宽带OPO。通过有源p–i–n结快速抽取TPA产生的自由载流子以抑制FCA，同时采用多模硅波导支持具有反常色散的高阶空间模式，并精心设计掺杂浓度梯度以在光传输损耗和载流子抽取效率之间取得优化折中。利用非对称模式选择性定向耦合器（MSDC）将总线波导中的基模TE₀转换为谐振器中的TE₂模式。通过避免模式交叉（AMX）机制，研究人员在标准硅中观测到被认定为完美孤子晶体（PSC）的低噪声态，实现了2-FSR和3-FSR间隔的Kerr梳，光谱跨度超过100 nm，射频（RF）噪声接近探测器背景噪声。此外，在近零色散硅MRR中产生了约300 nm宽带级联四波混频子梳，该状态被认定为宽带OPO而非宽带相干DKS。上述芯片在8英寸晶圆的商用硅光代工厂中制造，无需任何定制工艺步骤。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：一是横向p–i–n结有源载流子抽取技术，通过反向偏压快速移除TPA产生的自由载流子以抑制FCA损耗；二是空间模式色散工程，利用多模波导支持的高阶TE₂模式在1550 nm附近获得反常群速度色散；三是非对称模式选择性定向耦合器实现特定高阶模式的选择性激发；四是避免模式交叉机制，通过局部色散扰动为确定性孤子晶体形成提供路径；五是集成电阻加热器结合任意函数发生器实现可编程失谐扫描。器件由商用硅光代工厂在8英寸晶圆上制造。

四、研究结果

2.1 硅谐振器中的孤子晶体形成

研究人员通过宽带透射谱确认MSDC实现了TE₂模式的选择性激发，谐振模式均匀分布。实验测量的色散曲线显示AMX处存在局部色散扰动。在无AMX的泵浦条件下，观测到±1-FSR间隔的Turing roll边带，与加入TPA和自由载流子动力学的修正Lugiato-Lefever方程（LLE）模拟结果一致。当泵浦进入AMX模式时，初始梳态直接以2-FSR间隔产生，表明局部色散扰动引起强参量增益偏移。通过加热器失谐扫描，在12 V反向偏压和1558.82 nm泵浦波长下，研究人员识别出两种具有干净2-FSR和3-FSR梳齿间隔的低噪声态，其宽sech²拟合光谱包络、DC至1 GHz范围内散粒噪声极限的RF强度谱、可重复访问、失谐迟滞和态功率台阶提供了相互一致的证据，支持将其认定为完美孤子晶体（PSC）态。在选定工作点上，500/500次扫描均重复访问了两种PSC态。1小时长期稳定性监测显示梳功率稳定在1 dB以内。

2.2 缺陷孤子晶体转变及其他低噪声梳态

研究人员详细研究了3-FSR PSC形成过程中的前后失谐方向梳态演化，将功率轨迹分为四个不同态族。从AMX辅助产生的不对称2-FSR间隔边带主梳态出发，随有效失谐增加出现明显功率上升台阶进入PSC态，随后出现小幅功率下降台阶进入与Frenkel型位移缺陷相容的候选态，其中一至两个模型脉冲偏离其规则晶格位置。进一步失谐后出现功率下降台阶，进入高RF噪声但光谱稳定的调制不稳定态。研究还发现，通过选择AMX混合区域内的不同泵浦波长可连续配置有效耦合强度：泵浦向长波长调谐时混合减弱，梳动力学接近常规OPO的Turing roll模式；向短波长调谐时混合加深，可在约50 mW泵浦功率下观察到具有低RF噪声、sech²调制包络和不可逆功率台阶的类DKS梳态。

2.3 宽带参量振荡产生

研究人员设计了宽度调制的谐振器波导，将反常色散区域（1.625 μm）与正常色散区域（2 μm）平均化，使总波导色散平坦化至近零，测得集成二阶色散对应群速度色散值。在加热器功率逐渐降低过程中，腔内功率增加，OPO进入级联四波混频子梳态，在S、C和L波段约300 nm范围内产生可见梳线。研究人员系统表征了OPO阈值随反向偏压的变化：反向偏压从8 V增至20 V时阈值持续降低，在20 V偏压下观测到低于2.0 mW的最小振荡阈值；低于约9 V时参量振荡被完全抑制；超过20 V后阈值饱和。瞬态漂移-扩散模拟显示载流子寿命从4 V时的约130.3 ps降至8 V时的13.3 ps、12 V时的7.9 ps，并接近30 V时的约4 ps，与实验观测的阈值行为一致。

五、结论与讨论

研究人员首次在电信波段硅微谐振器中演示了确定性孤子晶体形成，提供了相互一致的证据。模式色散工程和有源自由载流子抽取在所用工作条件下提供了足够的参量增益以抵消非线性损耗。通过利用强反常色散区域的避免模式交叉，研究人员重复访问了2-FSR和3-FSR间隔的亮低噪声PSC态，其RF强度噪声接近探测器背景且光谱带宽超过100 nm。此外，通过受控调节模式相互作用强度，可访问多种低噪声候选孤子态，包括与Frenkel型缺陷孤子晶体光谱相容的态和具有sech²光谱包络的类孤子梳。在另一近零色散MRR器件中，硅平台支持阈值低至2.0 mW、电信波段约300 nm跨度的宽带OPO，该结果为级联子梳态，与孤子晶体测量结果截然不同。然而，单孤子态在该策略下仍未实现，可能原因是硅谐振器高循环光功率下的大热负载、载流子寿命在12 V偏压下从约130 ps降至7.9 ps后继续增加偏压仅能提供有限改善（40 V时模拟饱和值约4 ps），以及FCA损耗下限、线性波导损耗上限和载流子-热效应导致的失谐缩减共同限制了硅梳的转换效率。未来单片硅微梳的发展将聚焦于降低波导损耗、提高载流子抽取效率、优化腔体设计和耦合工程，并可能引入光子分子等结构以提供AMX的灵活控制，以及片上光放大器以增加可用梳输出功率。