随着光学微腔制备技术的快速发展,光学微腔的品质因子不断被提高,极大地促进了腔内的场增强效应,为低泵浦阈值的微腔光频梳产生,创造了有利条件。2007年,科研人员在二氧化硅光学微腔中首次实现了宽带克尔光学频率梳,从此拉开了微腔光频梳的研究序幕。微腔光频梳突破了锁模激光器光频梳的技术瓶颈,可实现GHz-THz的高重复频率,同时具有小尺寸、低功耗的优势,在精密测量、光谱学、光通信技术和微波光子学等领域具有广泛的应用前景。本文基于高折射率掺杂玻璃微环谐振腔,开展了微腔光频梳的理论与实验研究。采用辅助光热平衡的技术手段,实现了微腔孤子光频梳的产生;在单泵浦技术方案下,实现了呼吸子频梳的产生,通对腔内能量采样和射频谱的测量,对呼吸子频梳时域脉冲振荡特性进行了研究与分析;基于异步采样技术和时间透镜技术,分别对微腔光频梳的时域脉冲分布和腔内光场演化过程进行了测量与分析;在孤子光频梳稳定产生的基础上,开展了高频微波信号产生的实验研究;基于腔内自发四波混频效应,开展了量子光频梳的实验研究。论文的主要研究内容和取得的成果如下:一、采用辅助光热平衡的方法,开展了微腔孤子光频梳的实验研究。通过合理选定泵浦光和辅助光的频率,利用热调微腔谐振峰的手段,在自由光谱范围(FSR)为49 GHz的微腔中实现了调制不稳定光频梳到多孤子光频梳的转换,并通过温控反向调节微腔谐振峰,实现了单孤子光频梳的确定性产生,光谱带宽大于80 nm;利用单泵浦技术方案,实现了光谱大于180 nm的孤子晶体频梳;在FSR为200 GHz微腔内实现了呼吸孤子频梳,通过采样泵浦光扫过谐振峰的能量演化和射频谱的测量,证实了呼吸子频梳的时域脉冲呈“呼吸型”的周期性振荡。二、基于光学微腔中的自发四波混频效应,开展了量子光频梳的实验研究,分别测量了泵浦功率为20、40、60 m W时的光子符合计数,其符合计数率处于3到5之间,证实了新产生光子对的量子关联特性;通过符合计数率与泵浦功率表现出负相关性的实验结果,证实了低泵浦功率能有效促进噪声的减少和量子频梳质量的提高,得出了微腔品质因子是量子频梳质量关键影响因素的结论。三、采用异步采样的技术方案,对孤子光频梳的时域脉冲分布进行了采样研究。通过微环谐振腔产生一个稳定的单孤子频梳作为参考源,对另一个微环谐振腔产生的单孤子、双孤子、三孤子、四孤子频梳分别进行了异步采样测量,利用采集到的两套光频梳的拍频信号,对孤子频梳的时域脉冲分布进行了描述与分析。此方法突破了普通光电探测器带宽的限制,可实现对高重复频率频梳的测量。四、通过数值模拟研究,论证了时间透镜技术对多脉冲信号进行时域处理的可行性。采用基于时间透镜的时域成像系统,将光频梳在时域放大18倍,使用示波器对孤子光频梳的时域脉冲分布进行实时观测;以20.4 ps为周期,对FSR为49 GHz的微腔产生的光频梳进行采样分析,通过捕捉腔内孤子的实时位移,孤子碰撞、湮灭和产生等瞬态行为,描述了腔内光场演化的过程。此方法解决了高重频频梳实时测量的技术难题,为探索光频梳复杂的动力学瞬态过程提供了新的研究思路和有效的技术手段。五、基于微腔孤子光频梳,实现了48.97 GHz的微波信号产生,信噪比为60 d B;对微波信号的时间抖动和相位噪声进行了测量和分析,其时间抖动值为533 fs,在1 MHz偏频处的相位噪声为-110 d Bc/Hz;引入分频率器,实现了频率可调的微波信号产生;开展了孤子双光梳拍频的实验研究,分别采用级联和并联的技术方案探索了射频信号的产生,通过延时自外差法测量了两种方案的光信号线宽。