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2007年，DelHaye等人报道了世界上第一个微腔光频梳，自此之后，微腔光频梳先后在多种材料平台上被实现，并且被成功地应用到超高速并行光通信技术、微波光子学、光学频率合成、光钟、双梳光谱学和双梳测距等领域，展现出前所未有的优异性能。本论文采用高折射率差微环谐振腔，基于外部注入泵浦光和“自锁定”产生泵浦光两种技术方案，开展了微腔光频梳产生的实验和理论研究，具体的研究内容和取得的成果如下: 一、系统地研究了微环谐振腔的设计和测试方案。针对产生微腔光频梳的需求，对微环谐振腔的自由光谱范围、品质因子和色散系数进行了针对性的设计，并采用互补金属氧化物半导体相兼容的工艺制备出高折射率差微环谐振腔。采用光纤环形谐振腔辅助的测试方法，对微环谐振腔的主要参数进行了测试表征，其自由光谱范围约为49GHz，品质因子分布在1.4～2.1×106，微腔的色散系数约为43ps2/km。 二、实现了微环谐振腔的蝶形封装，首次采用半导体致冷器(TEC)调谐微环谐振腔谐振峰的方法，产生了片上孤子晶体频梳。类比晶体中的晶格结构，实验中观察到的孤子晶体具有理想态、Schottky缺陷、Frenkel缺陷和超结构缺陷等多种形态，为研究孤子间的相互作用提供了有效的实验手段。此外，首次采用延时自外差法对微腔光频梳短时间内的重频稳定性进行了实验测量，实验中待测的孤子晶体频梳以线宽为100Hz的激光器为泵浦源产生（目前报道的最窄线宽的泵浦源），实验测得孤子晶体频梳在10μs和125μs时间内的重频波动分别为53.24Hz和509.32Hz。并从理论上分析了泵浦频率和功率的稳定性对光频梳重频的影响，为实现频率稳定的微腔光频梳提供了理论依据。 三、对微腔光频梳的产生过程进行了详细的分析，采用Lugiato-Lefever方程对微腔光频梳从主梳、子梳、调制不稳态性频梳到孤子频梳的演化过程进行了理论研究。通过扫描泵浦功率和失谐量，得到各状态光频梳所对应的泵浦条件，首次得到了产生孤子晶体频梳的泵浦条件区域。通过更改第102个模式的失谐量和加入波导传输损耗的影响，得到稳态的孤子晶体频梳解。并对微腔孤子晶体频梳的拉曼自频移现象进行了研究，通过在扰动Lugiato-Lefever方程中引入拉曼项，对比仿真和实验光谱图，推算出波导材料的拉曼响应时间常数约为3fs。 四、将微环谐振腔嵌入到一个1.9m长的光纤增益腔中，首次实现了基于“自锁定”技术方案的低噪态微腔光频梳。在该实验中，利用偏振控制器微调腔内的光场相位，微腔内的光场经历了激光态、锁模态(“DF-DFWM”)、“子梳态”、低噪态、高噪态和双偏振高噪态的演化过程，并对光场的演化机理进行了详细的分析。此外，利用“自锁定”的技术方案，实现了重频可调谐的双色泵浦微腔光频梳，其中两个泵浦光在光纤增益腔内自激振荡产生。通过调节腔内双通带光学滤波器的中心波长，基于非简并四波混频效应，得到带宽大于180nm，重频在6～46×FSR范围内可调谐的微腔光频梳。 五、基于滤波器驱动耗散四波混频(“DF-DFWM”)锁模技术，首次实现了重频以微环谐振腔自由光谱范围为步长可调谐的超高重频锁模激光器，微环谐振腔同时具备梳状滤波器和非线性介质双重作用，有效地提升了激光腔的模式间隔，解决了传统耗散四波混频锁模激光器的“多纵模不稳定性”问题。通过调节光纤腔和微环谐振腔的长度关系，在实验上实现了重频在1～15×FSR(49～735GHz)范围内可调谐的锁模激光器，并基于非线性薛定谔方程对速率可调谐的锁模激光器进行了理论研究。