IEEE SiPhotonics2025 | 激光失谐对微环谐振器中四波混频的影响研究
引言微环谐振器已成为集成光子技术中的基础构建单元，在多个领域有着广泛应用。这些多功能组件在全光逻辑、神经网络、光通信和光量子技术等领域发挥着关键作用。当在非线性区域运行时，微环谐振器展现出了可用于先进光子应用的显著能力。
在分散型硅绝缘体材料平台上制造的微环谐振器的双泵四波混频(FWM)是集成光子技术研究的重要领域。泵浦激光失谐函数的转换效率为优化这些器件提供了有价值的见解。虽然微环谐振器已经被证明对于集成光子技术应用很重要，但激光失谐对此类器件中受激四波混频的影响仍然研究不足。
本文探讨了激光失谐对高度分散的氮化硅(SiN)中双泵受激FWM的影响，并研究了其在无激光锁定机制条件下的行为。我们将检查设计考虑因素、制造工艺、表征技术以及实验结果，这些都阐明了激光失谐如何影响这些微腔结构中的FWM效率。
1器件设计与制造本研究中讨论的微环谐振器(MRRs)是在300 nm厚的氮化硅(SiN)平台上构建的。SiN层是使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积的，这确保了适合光子应用的高质量材料特性。条状波导采用圆形环几何结构，具有凹口滤波器配置中的单总线耦合。
总线波导与微环谐振器之间的耦合间隙经过优化以实现临界耦合，这最大化了向谐振器的功率传输。提交给代工厂的设计包含了总线波导与微环谐振器之间间隙的变化。这种方法适应了制造变化，并调整了方向耦合器和波导光学特性的波长依赖性。
为了单模操作和低损耗性能，波导宽度选择为1.2 μm。根据模拟，最佳方向耦合器间隙确定为1 μm。然而，为了考虑制造变化，研究人员研究了从0.6到1.2 μm的一系列间隙。制造由CORNERSTONE在200 mm CMOS代工厂上进行。图1. 表征的微环谐振器的显微图像。不同的微环谐振器具有不同的方向耦合器间隙，允许对其性能特征进行比较分析。
1器件表征方法用于表征这些器件的测量设置包括两个可调谐激光器：Keysight N7778C和EXFO T100s-HP，线宽分别为<10 kHz和<400 kHz。设备还包括一个能够检测到-110 dBm信号的高灵敏度功率计和用于光谱测量的光谱分析仪(OSA)。
研究人员测量了各种微环谐振器的品质因子(Q-factors)。在评估了芯片上几个微环的FWM效率后，研究人员确定了8号环具有最高的FWM效率，其设计规格最接近所需的临界耦合条件。这个特定的环成为了进一步深入研究的对象。
为了表征消光比和Q因子，研究人员分析了微环谐振器的传输光谱。这个过程帮助确定了具有最佳间隙的理想器件，用于执行FWM实验。Q因子是使用以下方程计算的：Qfactor = λres/FWHM，其中λres表示共振波长，FWHM是半高全宽，均在研究的特定共振模式下评估。图2. 显示微环谐振器**振的平均消光比（绿色）和Q因子（红色）变化的图表，误差条表示参数的标准误差。环号与这些关键性能指标之间的关系揭示了设计优化点。
2非线性和FWM表征对于实验的非线性表征阶段，需要两个输入激光器。研究人员以低于光参量振荡器(OPO)阈值的激光功率水平泵浦腔体。为了有效测量FWM强度，所产生的FWM信号需要最小化设置和光纤到芯片的耦合损耗。双泵方案采用两个不同的激光器，泵浦在两个不同的相邻共振上。这种方法允许同时进行简并和非简并FWM，确保测量的FWM信号达到最大潜力。
然后使用光谱分析仪(OSA)测量输出。初始FWM实验从将两个激光器对准微环谐振器的近似最佳共振开始。每个激光器以其最大输出功率15 mW运行。研究人员在这些泵浦波长上进行了OSA扫描。
激光波长经过精细调整，以确保它们位于共振谷底，这由OSA上测量的峰值功率最小值表示。一旦优化，就在相邻共振上进行高灵敏度扫描，以寻找FWM信号。
3FWM失谐表征在成功地在特定微环上展示了FWM信号后，研究人员进行了深入的失谐表征。测量过程完全通过脚本编写和自动化，以确保在长达约2小时的测量期间的一致性和稳定性。
在过程的每一步中，设定两个激光波长（λ1和λ2），并由OSA执行扫描。在预期的FWM波长处进行高灵敏度扫描，而在两个激光波长处应用较低灵敏度扫描。这种扫描过程的分离使实验能够更高效地进行。
研究人员进行了双激光高分辨率扫描。在分析这些结果时，需要注意的是，激光2只有在激光1完成对其波长范围的完整扫描后才会在波长上移动。这使得激光2可以被视为在固定波长处泵浦，而激光1正在扫描。图3. 显示泵浦激光从红到蓝波长细扫描时FWM信号功率变化的图表。颜色强度表示功率水平，当激光2蓝移时出现最佳FWM。红色虚线表示设置重新对准的波长，而白线标记共振中心。
4结论本篇介绍的研究探索了在分散型氮化硅材料平台上实现的微环谐振器的非线性动态特性。结果表明，观察到的FWM信号对失谐参数有很强的依赖性。
研究人员发现，当一个激光器从其共振红移时，FWM达到最佳条件。有趣的是，他们发现另一个激光器在从其共振蓝移时产生最佳结果。
这项研究对我们理解激光失谐如何影响微环谐振器中的四波混频过程有重要的推进作用。从本研究中获得的见解可以指导各种应用的集成光子器件的设计和操作，包括全光逻辑、神经网络、光通信和光量子技术。通过根据此处提出的发现优化失谐参数，工程师可以提高基于微环的非线性光学系统的效率和功能。
本工作中展示的双泵方法为在不需要复杂激光锁定机制的情况下产生和控制FWM信号提供了实用方法。这简化了集成光子线路中非线性光学处理的实现，可能导致下一代光学系统更紧凑、更高效和更具成本效益的解决方案。
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