氮化硅微環的共振鎖定

摘 要： 氮化硅微環是一種被廣泛應用的集成光學器件，產生用于精密測量的光頻梳及用于量子信息的光量子態。其中氮化硅微環的穩定鎖定是實現實際應用的關鍵。該文利用氮化硅微環的熱自穩定性與Pound-Drever-Hall（PDH） 技術，實現了氮化硅微環的共振鎖定。實驗中結合高精度的激光波長調諧特性，將其穩定在微環共振波長附近，再通過PDH 技術進行共振鎖定。結果表明，該鎖定技術在氮化硅自身的熱自穩定性基礎上通過精確鎖定氮化硅微環，克服了擾動等影響，實現了不同功率的穩定輸出。當輸出功率約為38.9 mW 時，對應的標準差為0.016 mW。該技術可為氮化硅微環在量子光學等領域的應用提供研究基礎。

關鍵詞： 氮化硅微環; 熱自穩定性; PDH 技術; 鎖定精度

中圖分類號： TB9; O437.4 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0072–06

0 引 言

近年來，集成光學的進步推動了光通信、精密傳感和量子信息處理等領域的迅速發展。其核心在于將光學元件集成到單一芯片，實現更高效、緊湊的光信號處理與傳輸[1]。這項技術不僅提高了光通信的帶寬和傳輸距離，還促進了高靈敏度傳感器的研發。此外，量子信息處理也因集成光學的發展而獲得突破，量子比特的實現依賴光子的特性，而集成光學為操控和測量光子提供了理想環境。隨著研究的深入，集成光學將在多個領域產生深遠影響，并重新定義信息處理與傳輸的傳統觀念。

微環作為集成光學的關鍵光子元件，因其微小的體積、高品質因子以及與互補金屬氧化物半導體（CMOS）可兼容等優勢，廣泛應用于各類領域，成為近幾年光波導器件研究的熱門對象[2]。其能將光長時間束縛在微小的空間內，增強光與物質之間的相互作用[3]。微環可由多種材料加工而成[4]，在眾多材料平臺中，氮化硅以其適中的折射率、低損耗、高非線性系數以及較寬的透明窗口（涵蓋可見光至中紅外區域）等優越特性，在集成光學領域展現出巨大的應用潛力?；谏鲜鎏匦?，氮化硅微環近年來發展迅速。其不但可以用于制造濾波器[5]、調制器[6] 和光開關[7] 等光通信系統元件，還可以集成到硅基光子芯片從而實現光信號的處理、傳輸和轉換等功能。目前，國內外關于氮化硅微環開展了很多方面的研究，主要集中在利用腔內的非線性效應產生一系列梳齒狀的譜線，即光學頻率梳，在精密測量、通信技術和生物技術等一些經典領域有著重要的應用[8]。同時在腔內發生的光學參量振蕩（OPO）可產生壓縮態[9-10]、糾纏態[11-12] 等非經典態光場，基于氮化硅微環分別實現了明亮窄帶光子對及多波長量子光源[13-14]。然而，由于外部環境的擾動、微環內的噪聲以及光熱效應等因素的影響[15]，腔內的光功率無法長期維持穩定，腔共振波長將發生變化，這對后續研究及實驗的開展造成了干擾。

本文利用微環的基本特性及熱自穩定性，并結合Pound-Drever-Hall（PDH）技術，實現了對微環的高精度且穩定的共振鎖定。PDH 技術通過調制和解調過程，將波長偏移轉換為電信號，并通過負反饋機制進行適時調整，從而實現波長的精確鎖定。為進一步分析鎖定的性能，在不同的泵浦功率下分別對微環進行鎖定，結果表明，泵浦功率的變化以及其他一些微環參數都會影響鎖定性能。研究微環的共振鎖定以實現微環內光場的穩定輸出對于后續研究及實驗的順利進行具有重要意義。