Optics Letters: 基于薄膜钽酸锂的高Q光学微谐振器

基于“万能离子刀”工艺自主制造的高品质薄膜钽酸锂异质集成衬底，中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称为上海微系统所)异质集成XOI课题组于近日开发出超低光学损耗的平面刻蚀工艺，制备出的薄膜钽酸锂光学谐振器具有高品质因子(Q~3.5×10⁶)，并基于此实现了宽谱光学频率梳的产生。其中，本工作重点讨论了基于铁电材料上克尔光学频率梳生成的难点及钽酸锂(LT)作为电光频率梳产生平台的优势，为该电光材料平台后续的片上多通道光源应用提供了研究基础。相关研究工作以“High-Q integrated lithium tantalate microring resonators for on-chip comb generation”为题发表于光学领域权威期刊Optics Letters。论文的共同第一作者分别为上海微系统所博士生蔡佳辰和中国科学技术大学博士生王丕屿，共同通讯作者为中国科学技术大学万帅助理研究员与上海微系统所欧欣研究员。

由于薄膜钽酸锂平台(LTOI)具有低双折射、弱光折变效应、可抑制的拉曼效应和相对较高的光损伤阈值，这些特性有助于我们实现X切铁电材料内的耗散克尔孤子光频梳生成^[2]。与铌酸锂等其他铁电材料一样，LTOI中的泡科尔斯效应对于实现紧凑型光电器件也至关重要^[3]。值得一提的是，低成本离子注入与薄膜转移技术的使用和现阶段钽酸锂商用射频(RF)声学滤波器中的大规模量产应用确保了LTOI晶圆的良好经济效益，有利于降低成本并进一步实现光电集成芯片的大批量生产。然而，目前LTOI集成光子学研究尚处于起步阶段，要充分发挥材料平台的优势仍然需要做更多工作以填补相关领域的空白，尤其是研究用于产生定制化宽谱光源的单片式χ⁽²⁾和χ⁽³⁾非线性光学元件。

图1 (a)薄膜钽酸锂片上光学器件的制备流程；(b)LT波导的扫描电子显微镜(SEM)图样，展现了高倾斜度与低侧壁粗糙度；(c)LT微环器件的本征损耗表征，平均Q值约为3.5×10⁶，其中个别谐振峰Q值高于4.5×10⁶

基于上述制备流程，我们实现了侧壁倾角约70度的波导工艺(图1(b))，且器件平均Q值约为3.5×10⁶(图1 (c), (d))，为后续实现腔增强的非线性转换提供了低损耗器件基础。此外，通过实验中测量的蚀刻深度，LT薄膜与MaN光刻胶的蚀刻比约为2.1:1，该结果明显高于先前报道的基于LNOI的刻蚀水平(约1.4:1)^[4]，这证明了在LTOI平台中使用MaN抗蚀剂可以实现更优的蚀刻深度，该特性有助于后续进行任意蚀刻深度的光学器件设计。

为了实现克尔光学频率梳的产生，反常色散设计可以满足腔增强的级联四波混频(图2(b))。相较于先前工作中通过相对复杂的电子控制系统产生铁电薄膜中的克尔光学频率梳，本工作仅采用手动频率调谐和激光器自带的压电驱动调谐来实现激光泵浦。实验装置如图2 (a)所示，可调激光器输出的光信号由掺铒光纤放大器(EDFA)放大，并经过偏振控制器(PC)进行调整，最后通过光纤耦合系统将高功率激光打入微腔中，最后我们可以在OSC上观察到传输谱。同样的，将激光频率固定在谐振峰蓝失谐位置也可以产生噪声态光学频率梳(图2 (c))。

图2 (a)用于产生克尔光学频率梳的光纤测试系统；(b)基于LT波导的集成色散设计，通过反常色散实现高效光频梳的产生；(c)MI态光学频率梳频谱

在X切型铁电薄膜内，通过调谐激光频率实现稳定的克尔光学频率梳并没有想象中那么简单。具体而言，泵浦激光首先从蓝失谐区域靠近谐振峰最深处，这有利于进入热三角双稳态。然而鉴于光折变效应的弛豫响应特性，加热谐振模式会被拽向蓝色区域，因此接下来要进行相反方向的激光调谐，以弥补光折变效应导致的偏移。尽管如此，克尔光频梳的长时间稳定仍然存在挑战。如图3 (a)所示，当泵浦激光频率固定在谐振峰特定位置时，克尔光频梳会反复出现，这主要来源于光折变产生的内建电场存在电荷型弛豫现象，不利于产生稳定的克尔光频梳。采用压电模块驱动的激光扫描出现的热三角(图3(b))也验证了X切型LT薄膜材料较大的热光系数。其中，尽管腔内功率的梯度下降证明了锁模态的存在(图3 (c))，而由于光折变过程和热光效应的竞争关系会导致该锁模状态的台阶长度较短，同样不利于后续基于电学反馈回路来进行锁模态的获取和锁定。

考虑到克尔光频梳稳定生成的复杂性，通过电光相位调制的腔增强型光学频率梳生成(称为电光频梳)可以在低输入光功率下工作，因此不易受光折变效应和热光效应的影响。本工作首次演示了基于20 GHz LT跑道型谐振器的电光频梳生成(图4 (a))，其中波导宽度为2 μm，蚀刻深度为400 nm，可以实现更弱的色散相位偏移(图4 (b))。最终，经射频放大器后，功率为30 dBm的20 GHz射频信号频率被施加到集总型微波电极上，实现了30 nm电光频梳跨度，包括约200条梳状线，转换效率约为0.21%。该结果与先前LN单谐振增强的电光转换效率类似^[5]，初步证明了X切LT薄膜作为下一代低成本、高性能电光平台的潜力。

通过高效的平面制造工艺，本工作报道了基于LTOI的低损耗微谐振器，其平均本征Q值约为3.5×10⁶，同时也展示了两种LT基芯片级频率梳的实现方法。第一种方法是基于三阶非线性的克尔光学频率梳产生，揭示了光折变效应和热效应间存在的相互竞争现象，这种关系极大地限制了锁模光频梳的长时间稳定存在；另一种方法是基于泡科尔斯效应的电光频梳产生，本工作利用色散设计和微波加载初步实现了LT基电光频梳的产生，后续其带宽提升仍然可以通过器件设计进一步优化。上述结果均验证了薄膜钽酸锂材料同时具备的显著二阶、三阶非线性效应，有望使得该光子平台成为宽带多通道芯片光源的有力竞争者。

文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.532214