高Q值微环谐振腔具有强光场局限能力以及高非线性系数,为光学频率梳技术向更高集成与更低阈值发展提供了新的实验平台。基于微环谐振腔的光学频率梳(简称微腔光频梳)天然具备的小尺寸与超高重复频率优势,使其在高速相干通信、精密分子光谱探测、光学频率合成等领域具有广泛应用价值。目前已经在多种不同材料平台实现了微腔光频梳产生,其中CMOS兼容材料微腔因其与半导体加工工艺相匹配并易与其他平台光子器件相集成的特点,对于本领域技术发展与应用具有特殊意义。本论文围绕微腔光频梳所涉及的基础器件结构与物理特性以及非线性动力学过程开展了系统研究,分析了微腔中亮/暗孤子在高阶色散、拉曼效应与自陡峭效应等影响下的演化规律,通过对多光子吸收分析及载流子效应调控在正色散硅微腔中获得宽带中红外光频梳产生,并基于高折射率掺杂玻璃材料实现了多种孤子态光频梳。主要内容和取得成果如下:一、利用分步傅里叶与龙格-库塔算法实现了非线性耦合模方程以及Lugiato-Lefever方程(LLE)的数值求解,分析了微腔孤子产生过程中高阶色散、拉曼与自陡峭效应对光频梳时频域分布特性的作用规律,以及模式耦合中辐射损耗对孤子形成的影响。研究结果表明,拉曼效应导致了光频梳频域上的光谱整体红移和时域上的重频轻微变化,自陡峭效应相比拉曼效应对频梳时频域影响较小;而较大的模式耦合有助于实现单孤子态,并将造成光谱局域跳变。二、采用矩量法与色散波理论分析了亮、暗孤子与呼吸子的动态演化过程以及时、频域特征。研究发现,高奇数阶色散将引起微腔孤子的时域漂移,且漂移速度主要由三阶色散绝对值大小决定;而亮暗呼吸子周期振荡特性可通过设计高奇数阶色散进行控制。高阶奇偶色散共同决定了色散曲线包络并最终影响了频域中色散波的位置和数量,从而为宽带频率梳产生所需色散优化提供了理论依据。三、理论研究了正色散硅微腔中多光子吸收效应与伴随的自由载流子产生对光频梳形成的影响。结果表明,通信波段双光子吸收导致波导损耗急剧增大并抑制了参量振荡过程;2200 nm—3300 nm波段三光子吸收伴随的载流子效应是影响频率梳形成主要因素,可通过加入PIN结扫除载流子实现光频梳产生;而3300 nm以上波段四光子吸收相对较弱、可在低泵浦功率下产生光频梳。通过设计微腔波导横截面获取较小正色散,并采用适当的微腔半径(FSR为129 GHz)抑制硅材料强拉曼效应,同时利用色散波实现带宽达一倍频程(2-4μm)、FSR可调(1-FSR至4-FSR)的稳定宽带中红外光频梳。不同于负色散情况的时域高斯形脉冲,所获脉冲顶部平坦、且具有更高转换效率(高达67%)。四、基于高折射率掺杂玻璃平台,采用泵浦-辅助光方案并优化波导设计与加工工艺以避免模式交叉,实现了具有超光滑光谱的单孤子频率梳(带宽160nm)。测得标准sech~2函数光谱中拉曼孤子频移量4.4 nm并以此准确推算出该材料拉曼时间常数为2.7 fs。同时,通过控制辅助光平衡腔内热效应,实验获得了多种“完美”孤子态(1-,2-,4-孤子),其光谱包络光滑且腔内双孤子时域间距可调、无拖尾振荡。利用包含热效应的LLE模型,分析了该材料中热不稳定对孤子产生的影响,发现泵浦激光调谐过程中的热变化可导致孤子的存活或者湮灭。