耦合环孤子微梳中的带间凯利边带观测
观察耦合环梳状微梳中的带间 Kelly 边带
背景介绍
Kelly 边带（Kelly Sidebands, KSS）是一种在锁模系统中出现的特殊色散波，在光纤激光器中进行了广泛的研究。然而，由于集成光子微谐振器的路径长度较短，在集成微梳中的生成相对困难。尽管存在这些挑战，在破坏对称性的脉冲泵浦孤子微梳中，最近也观察到了 Kelly 边带。在这一研究背景下，作者们探讨了在部分耦合跑道谐振器微梳中通过连续波激励生成 Kelly 边带。
论文来源
本文由 Maodong Gao、Zhiquan Yuan、Yan Yu、Warren Jin、Qing-Xin Ji、Jinhao Ge、Avi Feshali、Mario Paniccia、John E. Bowers 和 Kerry J. Vahala 共同撰写，作者们隶属于加利福尼亚理工学院、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和 Anello Photonics公司。论文发表于 2024年7月，刊登于《Optica》杂志第11卷第7期。
研究流程
研究对象与研究方法
实验装置与检测方法：
- 使用 CMOS 兼容工艺制备的耦合环装置。
- 采用连续波激光泵浦位于上频带反常色散窗口附近的光谱，生成产生明亮孤子脉冲对。
实验步骤：
- 制备 Si3N4 微谐振器跑道。
- 测量两混合模式族的集成色散情况。
- 在反常色散窗口附近进行连续波激光泵浦，生成孤子脉冲对。
- 观察孤子频率梳与KSS的光谱位置。
关键实验和参数
- 实验过程中采用部分耦合的跑道谐振器，这种结构的特点是生成两个光学频带，且部分耦合的跑道谐振器导致系统对称性破坏，从而允许孤子与 Kelly 边带在不同频带之间的耦合。
- 实验中分别对连续波泵浦和脉冲泵浦条件下的 Kelly 边带位置调谐进行了研究。通过对比仿真实验，在部分耦合和完全耦合的设备中，分析了 Kelly 边带生成的差异。
实验结果
连续波激励下的结果
- 在部分耦合的跑道谐振器中，通过连续波激光泵浦，在反常色散窗口附近生成孤子脉冲对。光谱显示出在两个不同频带上存在的色散波和 Kelly 边带。
- 具体結果顯示在集成色散曲线中的两个点观察到色散波，而 Kelly 边带则位于不同的频带。這些特性側重說明了 Kelly 边带形成对系统对称性的突破性需求。
脉冲泵浦下的结果
- 通过脉冲泵浦电光梳与脉冲压缩方法生成的孤子脉冲对展示了类似的光谱结果。
- 实验结果还展示了脉冲重复式单次泵浦对于色散波与 Kelly 边带光谱位置的影响，这些变化通過调节泵浦脉冲的重复频率得以观察。
数值模拟分析
- 通过耦合模式 Lugiato–Lefever 方程（LLE），分别模拟部分耦合和完全耦合设备中的 Kelly 边带生成情况。
- 仿真结果显示，在部分耦合情况下，色散波和 Kelly 边带均出现在光谱中，而在完全耦合情况下，仅出现色散波，无法生成 Kelly 边带。
- 除此之外，仿真结果还反映了 Kelly 边带的形成与对称性破坏的相互关系。
结论与意义
- 该研究展示了通过部分耦合耦合跑道谐振器中的孤子微梳生成 Kelly 边带的方法。此方法通过破坏系统对称性，减少了 Kelly 边带生成的功率需求，并允许连续波激励生成 Kelly 边带。
- 实验和仿真结果证实了这种多频带系统在拓宽微梳频谱的潜力，为工程化 Kelly 边带提供了一条新途径。
- 考虑到 Kelly 边带在光频分频中的潜在应用（如在光频梳中的使用），这一研究成果具有重要的科学和实践价值。
研究亮点
- 通过部分耦合谐振器生成 Kelly 边带，为扩展微梳频谱提供了创新方法。
- 实验与仿真中的观察结果均表现出 Kelly 边带生成对系统对称性破坏的依赖性，这为进一步的微梳系统设计提供了新的思路。
- 研究中的数值模拟精确地比较了不同耦合情况下 Kelly 边带生成的差异，验证了实验结果的有效性。
此外，本文还基于高精度光谱仪测量数据，进一步证实了 Kelly 边带与主频梳格共享相同的载波包络偏移频率。 本文的研究结果在光频梳的工程化应用中具有重要意义，并为未来的相关研究提供了新的方向。