基于 Kerr 非线性的三重共振微光学参量振荡器：非线性损耗、不等共振 - 端口耦合及耦合腔实现

我们建立了一种基于简并四波混频 (FWM) 的三重共振光学参量振荡器 (OPOs) 理论模型，该模型涵盖了与微光子（片上）器件实现相关的物理机制和自由度，包括非线性损耗、通用共振模式场结构以及对外部端口的模式选择性耦合。该耦合模理论模型解决了双光子吸收和自由载流子吸收对参量增益和振荡阈值的影响，并最终确定了 OPO 的最优设计。该模型超越了典型的自由空间腔配置，通过引入完整的模态分析，接纳了具有非均匀场分布的分布式模式，这与片上光子微腔系统密切相关。这导致将非线性品质因数 (NFOM) 的概念推广为系数向量。此外，通过考虑信号光、泵浦光和闲频光共振耦合强度到激发端口的无约束情况（这在简单腔几何结构中通常不可用），我们表明效率最大化的设计将对三个共振具有不等的外部 Q 值。我们推导出了包含非线性吸收和自由载流子寿命的 OPO 振荡阈值通用公式，并针对存在非线性损耗的情况，以最优耦合选择为变量提供了设计问题的归一化解。基于这些结果，我们提出了一类用于实现最优 FWM 的耦合腔系统，其中共振波长的控制可以与优化非线性转换效率分离，并且可以利用干涉腔超模耦合作为示例，独立控制泵浦光、信号光和闲频光与总线波导的耦合。利用广义 NFOM，我们探讨了单腔和多腔几何结构以及驻波和行波激发的效率。