光学频率梳,即频域上一系列等间隔的相干谱线,在过去的二十多年间获得了极大的关注和发展。传统的光频梳通过锁模激光器产生,已经在时间和频率的精确测量上发挥了巨大作用。基于微腔的光场增强特性,2007年利用连续光泵浦在微腔中实现了光频梳产生,开启了微腔光频梳这一全新的领域。由于产生过程中伴随着噪声的出现,早期的微腔光频梳表现出较低的相干性,其应用价值并不被看好。近年来,随着耗散克尔孤子的发现,通过同时平衡增益和损耗,以及色散和克尔非线性,微腔中可以产生稳定的孤子光脉冲并且获得全相干的光频梳。与传统的锁模激光器产生的光频梳相比,基于微腔的孤子光频梳性能相当,并且具有功耗低、尺寸小、结构简单、可集成的优点。因此,除了为非线性物理研究提供理想的平台,近几年来微腔孤子光频梳在诸如光学频率合成、光原子钟、激光雷达、低噪声微波源、相干光通信、双光梳光谱学、光学相干层析等许多应用上展现出了广阔的前景。在量子信息领域,量子信息可以编码在单个光子的频率和时间自由度上,通过利用基于光频梳的时频纠缠光子可以实现确定性的高维控制量子门,为可扩展的光学量子计算提供可行的选择。本论文中,基于氮化硅微环腔,研究了氮化硅微环腔芯片的设计与制备、其中的孤子频梳的产生以及呼吸孤子的频率稳定和调谐。除此之外,本论文中还提出了一种基于微腔的自干涉结构,并对其在光学传感以及光频梳上的应用进行了初步探索。具体内容有以下几个方面:1.回音壁模式微腔与微腔光频梳的基础理论首先详细地介绍了品质因数、自由光谱范围、有效模式体积、色散等回音壁模式微腔的重要参数,并利用耦合模方程对微腔中光学模式的线型进行了分析。之后,从三阶非线性出发,介绍了非线性效应在微腔光频梳产生过程中起到的作用。给出了微腔光频梳研究中常用的耦合模方程和Lugiato-Lefever方程的推导过程,从数学上证明了两者的等价性。利用这两个方程从理论上研究了光频梳和孤子的产生过程,并给出了产生条件和一些重要参数的数学表达形式。2.氮化硅微环腔芯片的设计与制备工艺改进为了满足孤子频梳产生对微腔色散的要求和提高微腔芯片的耦合效率,我们通过模拟对微环腔的尺寸以及端面耦合器的形状进行了设计和优化。对于微环腔的制备工艺,我们对工艺的每一个环节逐一进行了介绍,并且给出了每一步的关键点和改进方案。利用改进的制备工艺,在我们的微环腔样品中观察到了品质因数超过3 × 106的光学模式。3.孤子频梳的实验产生基于我们的高品质因数氮化硅微环腔,在实验上演示了微腔孤子频梳的产生,并记录了孤子频梳从主梳态、调制不稳定性态、呼吸孤子态到稳定的孤子态的完整演化过程。对演化过程的每个阶段都进行了理论分析和实验表征。同时,为了克服单束光直接扫描时孤子产生效率较低的问题,我们利用添加辅助光的方法抑制了热效应对孤子产生的不利影响,实现了孤子频梳的稳定高效的产生。4.呼吸孤子的频率稳定与调谐呼吸孤子态是孤子演化过程中的一个特殊状态。我们对呼吸孤子态进行了详细地理论分析和实验表征,并给出了证明呼吸孤子存在的几种特征信号。由于存在周期性的能量交换,相比于稳定的孤子态,呼吸孤子态的稳定性较差。基于注入锁定机制,我们验证了呼吸孤子的呼吸频率可以与外部信号的调制频率同步,并观察到锁定状态下的呼吸孤子稳定性显著提升同时相位噪声被有效抑制。通过调节外部调制信号的功率和频率,实验中实现了最多达50 MHz的呼吸频率调谐。锁定的呼吸孤子在提高光谱学分辨率和宽波段的微波信号分发上有望发挥作用。5.自干涉结构的原理与应用演示与传统的直波导耦合结构相比,自干涉结构多出了一段U型干涉臂。通过对干涉臂上的相位进行调节,可以改变干涉臂与微腔的相位差,从而实现对有效耦合损耗的调节。有效耦合损耗的变化会引起光学模式线宽和消光比的变化,因此,自干涉结构可以提供一种全新的耗散传感机制,一定程度上克服传统的传感机制的缺点。我们在实验上成功实现了基于自干涉结构的电功率和溶液浓度传感,展现了其实际应用的潜力。除此之外,我们在自干涉结构中还实现了光频梳产生,并观察到受到调制的频谱包络。