编者按

eLight聚焦光频梳，邀请如下顶尖专家：

资深院士：中国科学院雄安创新研究院祝宁华院士，南京大学祝世宁院士，中国科学技术大学郭光灿院士，美国加州大学洛杉矶分校Chee Wei Wong院士，美国加州理工学院Kerry Vahala院士。

青年先锋：北京大学杨起帆教授、胡耀文教授，电子科技大学姚佰承教授、周恒教授、周强教授，中国科学院雄安创新研究院王文亭研究员、南京大学谢臻达教授，查尔姆斯理工大学Victor Torres-Company。

于10月10日在卓越计划高起点新刊eLight同步刊发两篇重磅邀请综述：“高效率光梳”和“微腔光梳革新信息技术”。

本篇文章重点介绍“高效率光梳”综述的主要内容。

内容简介

光学频率梳（简称光梳）由一系列在频率空间等间隔排列的光学信号组成，片上的光梳提供了精简、高度集成化的光频梳，为许多应用带来了革命性的突破。目前，用于生成片上光梳的器件正在变得越来越高效。科学家们通过强大的光相互作用和超低损耗材料，已将微光梳的效率从百分之几提高到超过50%。这为开发更小、更强大的片上光梳提供了重大突破，这些设备可应用于研究实验室之外的多个领域。然而，仍有挑战需要解决。这篇综述将重点介绍当下产生高效片上光梳的手段和未来可能的挑战与机遇。

该篇文章以“Efficient microresonator frequency combs”为题发表在eLight。

背景介绍

光学频率梳革新了频率计量、光谱学、计时等领域。它由具有固定相位关系和重复频率分隔的谱线组成，可通过f-2f自参考技术控制绝对频率，实现光与射频电磁波的相干统一。尽管光梳应用广泛，但小型化因设置复杂性受阻。2007年，基于微谐振器的“微光梳”作为解决方案出现，利用高质量因子回音廊谐振器中的级联四波混频。微光梳包括克尔微光梳和共振电光微光梳，前者利用耗散克尔孤子克服稳定性挑战，后者使用高Q微谐振器的共振电光调制。微光梳在多个领域有应用，研究已从设备级转向系统级集成，并融入集成光子学以提高生产水平。关键指标是功率效率，依赖于梳状谱线数量。我们回顾了提高效率的进展，讨论了限制因素和克服策略，如使用耦合谐振器和增加泵浦带宽，还指出了创建平顶微光梳的尝试。最后，展望了高效微光梳推动实际应用的前景及剩余挑战。

图1：应用驱动的微梳发展。微梳模块周围的箭头表示功率和梳线数量对不同应用的相对重要性，这些应用包括微波光子学、LiDAR、通信 、光谱学 、天文校准和时间/频率标准。

部分亮点

微腔光梳效率的基本原则

生成克尔和共振电光梳的配置具有标准布局，通常涉及连续泵浦、波导耦合的微谐振器。除了克尔效应或电光效应外，微腔光梳的形成动力学还可能涉及其他非线性光学过程，如二次/半谐波产生和受激拉曼/布里渊散射。这些过程，无论是独立还是共同作用，都可能导致在光谱包络内形成等距光谱线。然而，大量的泵浦功率可能不参与梳状谱的形成过程，导致强泵浦线超出光谱包络。在实际应用中，需要衰减这种剩余的泵浦功率以防止光电探测器饱和。因此，在本综述中，我们采用了广泛接受的“微光梳效率”定义，即梳状谱线中的功率（不包括超出梳状包络的任何剩余泵浦功率）与泵浦激光器功率的比值。值得注意的是，这种光到光的转换效率不包括在电光微光梳中消耗的微波功率，该功率可能达到几瓦。它也不包括用于热调谐共振的加热器功耗。壁插效率在结论中讨论。通常，明亮的孤子克尔微光梳和共振电光微光梳的效率为百分之几或更低。另一方面，暗脉冲微光梳的效率可以接近50%。我们深入探讨了限制微光梳效率的各种关键因素。

图2：微梳效率的定义及其限制。a 几种类型微梳的典型光谱。微谐振器器件也展示在插图中。b 典型微梳的示意图。微梳效率定义为光谱包络内梳线功率与输入单色泵浦激光功率的比值。c–e 微梳效率的三大主要限制因素，即注入效率、非线性转换效率和发射效率。

耦合微腔光梳

近年来，由于在耦合微腔中潜在的复杂非线性动力学以及用于色散工程的多功能能力，人们对在耦合谐振器中生成微光梳的研究兴趣日益浓厚。这些设备由两个或多个微谐振器组成，其中光学模式耦合以形成具有可重构能级和线宽的杂化共振结构。泵浦杂化模式会产生不同的输入输出关系，这可以提高微腔光梳的注入效率并绕过前述理论限制。最近提出的广义临界耦合概念，为最大化能量流入主微腔提供了指导。我们深入讨论了基于广义临界耦合实现高效微腔光梳的几种有前景的架构。

图3：高效率微梳在耦合微谐振器中的应用。a–c 左侧：耦合微谐振器的配置。中间：微谐振器的能量图。右侧：高效率微梳的典型光谱。d–i 展示了耦合谐振器器件。

宽带泵浦光频梳

由连续波激光器泵浦的微腔光梳通常表现为微腔内叠加在均匀背景上的脉冲。虽然这个背景对有效梳状谱线功率的贡献最小，但它消耗了大量的泵浦功率。然而，微腔光梳也与各种替代泵浦方案兼容，这些方案不符合为连续波激光器泵浦推导出的理论效率限制。我们深入讨论了这些不同泵浦方案的概述。

图4：通过增加泵浦带宽生成的高效率微梳。a 脉冲泵浦微梳的示意图。驱动脉冲可以来自EO梳或增益切换激光器。b 脉冲泵浦微梳的光谱。插图：微梳的腔内强度分布图。c 参数泵浦的孤子微梳。d 参数泵浦微梳的光谱。插图：微梳的腔内强度分布图。e 激光腔孤子微梳。f 激光腔孤子微梳的光谱。插图：微梳的腔内强度分布图。

平坦光频梳

微腔光梳光谱的平坦度是另一个关键参数，因为现代通信系统对每个通道发射的功率有严格的标准。尽管级联参量过程可以拓宽微光梳的光谱，但由于群速度色散，产生的大部分梳状谱线明显弱于光谱中心附近的谱线。实际上，许多基于波分复用技术的应用的性能通常受到最弱梳状谱线的限制。我们深入讨论了已经提出了几种策略，通过修改共振结构的色散和损耗来实现平坦微腔光梳。

图5：平顶微梳。a 通过布拉格散射在多频光子晶体微谐振器中生成Kerr微梳，并创建元色散。b 通过在Kerr谐振器中引入光谱滤波生成Nyquist孤子。c 通过在频域中引入避免模交叉（“镜子”）生成平顶谐振EO微梳。（来源：中国光学微信公众号））

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00075-5