导读

光学频率梳作为频率域中最精密的量尺，其广泛应用于精密光谱学、微波光子学以及时间频率精密测量等领域。集成光学频率梳——特别是孤子微梳的出现，使得光学频率梳的小型化和集成化成为可能。

为了在光子芯片上实现完整的光梳功能，除了高品质因子的光学微腔外，还需要集成高效的倍频器和调制器，以实现光梳的自参考以及大带宽的调制和锁定。X切薄膜铌酸锂平台具有优异的二阶非线性以及电光效应，具备光梳系统的单片集成能力，基于该平台开发的倍频器和调制器已有广泛的应用。然而，受限于材料较强的拉曼非线性，孤子光梳尚未在X切铌酸锂平台上实现。

近日，北京大学杨起帆、龚旗煌团队与南开大学物理学院薄方课题组成功在X切薄膜铌酸锂平台上实现了孤子光梳。通过设计跑道形光学微腔相对于晶体光轴的取向，微腔内整体的拉曼响应被有效抑制，成功在连续光泵浦和脉冲光泵浦两种条件下实现微波重频的孤子光梳产生。相关研究成果以 “Soliton microcombs in X-cut LiNbO₃ microresonators” 为题发表于eLight（入选两期卓越计划）。 北京大学博士研究生聂彬彬、吕晓敏和博士后杨晨为本文的共同第一作者，北京大学杨起帆研究员和南开大学薄方教授为本文的共同通讯作者。

研究背景

光学频率梳由一系列频率等间距分布的激光谱线组成，是人类目前用于频率测量最精密的尺子，在微波光子学、精密光谱学以及时频精密测量等领域有着广泛的应用，因此获得了2005年诺贝尔物理学奖。传统的光学频率梳基于锁模激光器产生，具有功耗大、造价昂贵等问题，限制了光学频率梳的应用场景。近年来，基于高品质因子光学微腔的集成光学频率梳引起了科学家的广泛兴趣。利用光学微腔中的克尔非线性，光学频率梳可以在光子芯片上产生，这为光学频率梳的小型化、集成化创造了条件，使得光学频率梳走出实验室成为可能。

为了在光子芯片上实现完整的光梳功能，适配更广泛的应用，需要将光梳与高效的倍频器以及调制器进行集成，这就要求材料平台需要具有较强的二阶非线性和电光效应。作为光子学领域中的“硅”，薄膜铌酸锂材料平台完美契合了这一要求。基于成熟的平面微纳加工工艺，高性能的倍频器和调制器已成功在X切薄膜铌酸锂平台上实现并得到广泛应用（图1）。光梳产生方面，尽管电光调制频率梳已经在X切薄膜铌酸锂平台上实现，但是其光谱带宽仍比较窄，远未达到一个倍频程，这极大限制了光梳的实际应用。相较之下，基于克尔非线性的孤子光梳具有更大的光谱带宽，可以实现跨越倍频程的光谱展宽。然而，受限于材料较强的拉曼非线性，X切薄膜铌酸锂平台上孤子光梳仍未实现，成为了薄膜铌酸锂光子学中一块缺失的拼图。

图1：基于X切薄膜铌酸锂的技术和应用

研究亮点

为了有效抑制微腔整体的拉曼非线性强度，实现孤子光梳的产生，团队首先研究了薄膜铌酸锂材料的拉曼响应。作为一种单轴晶体材料，铌酸锂的拉曼响应具有明显的偏振依赖特性（图2a-b）,随着泵浦偏振从平行光轴向着垂直光轴变化，拉曼响应发生明显的减弱。 研究团队在实验上比对了两种跑道形微腔：

长直波导垂直于光轴，此时腔内大部分光场的偏振平行于光轴（图2c），微腔整体的拉曼响应较强。泵浦该微腔产生拉曼-克尔光梳（图2d），过强的拉曼响应导致孤子光梳无法产生。

长直波导平行于光轴，此时腔内大部分光场的偏振垂直于光轴（图2e），微腔整体的拉曼响应较弱。泵浦该微腔产生孤子光梳（图2f）。

研究团队进一步测量了孤子微梳重复频率的电学频谱（图2g）和相位噪声（图2h），验证了其良好的相干性。

图2：(a) X切薄膜铌酸锂偏振依赖的拉曼光谱；(b) 两个主要拉曼模式的强度随着偏振角度的变化；(c) 直波导垂直于光轴的跑道型光学微腔；（d）拉曼-克尔梳光谱；（e）直波导平行于光轴的跑道型光学微腔；（f）孤子光梳光谱；（g）孤子光梳重复频率的电学频谱；（h）孤子光梳的相位噪声谱

除了连续光泵浦，孤子光梳还可以用脉冲光泵浦的方式产生，其实验装置如图3a所示。随着激光频率扫描，孤子在腔内产生（图3b），其光谱如图3c所示。在大约340千赫兹的驱动脉冲重复频率调谐范围内，都支持孤子光梳的产生（图3d）。研究团队也对微波源和孤子重复频率的相位噪声进行了表征（图3e），验证了其良好的相干性。

图3：(a) 脉冲泵浦实验装置；(b)透射泵浦功率和梳齿功率随激光扫频的变化；(c) 脉冲泵浦产生的孤子光梳光谱；（d）孤子光梳的存在范围；（e）孤子光梳以及产生脉冲的微波源的相位噪声

总结与展望

本工作首次在X切薄膜铌酸锂平台上实现了孤子光梳的产生。利用X切薄膜铌酸锂平台优异的光学非线性以及电光效应，可以实现孤子光梳与高效的倍频器和调制器的单片集成，使得片上的光梳频率转换、自参考以及高速调制和锁定成为可能，为实现芯片尺度的光梳系统铺平了道路。该成果在精密光谱测量、光通信、光计算以及光学原子钟等领域具有广阔应用前景。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-025-00093-x