[论文解读] Whispering gallery mode microresonator for nonlinear optics

Yihang Li, Xuefeng Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 254被引用 20

一句话总结

本综述系统总结了近年来在微腔激发表面波（WGM）微谐振器非线性光学领域的进展，重点介绍了其超高Q值因子和小模场体积特性，这些特性使得光与物质强相互作用成为可能。综述详细阐述了基本非线性效应（克尔效应、皮克尔斯效应、二次谐波产生、四波混频及受激散射），以及热致非线性和PT对称系统中的非线性行为，还涵盖了级联过程（如频率梳生成），并探讨了其在微激光器和非互易器件中的应用。

ABSTRACT

Whispering gallery mode (WGM) microresonators, benefitting from the ultrahigh quality (Q) factors and small mode volumes, could considerably enhance the light-matter interaction, making it an ideal platform for studying a broad range of nonlinear optical effects. In this review, the progress of optical nonlinear effects in WGM microresonators is comprehensively summarized. First, several basic nonlinear effects in WGM microresonator are reviewed, including not only Pockels effect and Kerr effect, but also harmonic generations, four-wave mixing and stimulated optical scattering effects. Apart from that, nonlinearity induced by thermal effect and in PT-symmetric systems are also discussed. Furthermore, multistep nonlinear optical effects by cascading several nonlinear effects are reviewed, including frequency comb generations. Several selected applications of optical nonlinearity in WGM resonators are finally introduced, such as narrow-linewidth microlasers, nonlinearity induced non-reciprocity and frequency combs.

研究动机与目标

• 系统性回顾微腔激发表面波（WGM）微谐振器中非线性光学效应的最新进展。
• 分析超高Q值因子与小模场体积在增强非线性光学中光与物质相互作用中的作用。
• 探讨基本与级联非线性过程，包括四波混频与频率梳生成。
• 研究由热效应与PT对称系统诱导的新兴非线性行为。
• 突出展示在集成光子学与光学传感中非线性WGM微谐振器的实用化应用。

提出的方法

• 综合近期关于WGM微谐振器的实验与理论研究成果。
• 将非线性光学效应分类为本征机制（克尔效应、皮克尔斯效应、二次谐波产生）与外在机制（热致、PT对称）。
• 分析级联非线性过程，特别是四波混频导致的频率梳生成。
• 采用耦合模理论与非线性薛定谔方程类型模型，描述模式相互作用与非线性动力学行为。
• 引入热致非线性模型与宇称-时间（PT）对称哈密顿量，以描述非厄米光学系统。
• 系统性展示器件结构、材料平台（如熔融石英、硫族化物、氮化硅）及其实验实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 WGM微谐振器中超高Q值因子与小模场体积如何增强非线性光学效应？
• RQ2 在WGM谐振器中观测到的主要本征非线性机制（克尔效应、皮克尔斯效应、二次谐波产生、四波混频）有哪些？
• RQ3 热效应与PT对称系统如何在这些系统中诱导新型光学非线性行为？
• RQ4 级联非线性过程在WGM微谐振器中实现频率梳生成的过程中起什么作用？
• RQ5 非线性WGM微谐振器在集成光子学与光学传感中最具前景的应用是什么？

主要发现

• WGM微谐振器的Q值因子可超过10^9，从而实现强光与物质相互作用，并实现低阈值非线性效应。
• 在优化系统中，WGM谐振器中的四波混频已实现侧带生成，转换效率超过10%。
• 通过级联四波混频实现的频率梳已在微环形与微盘形谐振器中实验验证，重复频率可达数十GHz。
• WGM谐振器中的热致非线性可导致自脉动动力学与双稳态行为，从而实现全光开关与记忆效应。
• PT对称WGM系统在谱中表现出特殊点，可实现单向激光与增强的光学传感灵敏度。
• 已通过实验证明非线性诱导的非互易性，实现隔离比超过30 dB的光学二极管原型器件。