近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室及納光電子前沿科學中心“極端光學創新研究團隊”楊起帆研究員課題組提出利用色散波抑制微腔中孤子光梳量子定時抖動的新機制，并通過數值仿真和實驗研究對這一機制進行了驗證。2024年8月13日，相關研究成果以“微腔中孤子光梳量子定時抖動的自抑制及其基本噪聲極限”(Self-Suppressed Quantum-Limited Timing Jitter and Fundamental Noise Limit of Soliton Microcombs)為題發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜志上。

圖1. (a) 孤子光梳量子定時抖動概念圖。(b) 色散波抑制孤子光梳量子定時抖動頻域圖像。(c) 色散波抑制孤子光梳量子定時抖動時域圖像。(d) Gordon-Haus抖動、直接抖動以及被抑制後的Gordon-Haus抖動功率譜密度。

真空漲落會産生相位随機的光子，這些随機光子會耦合進入微腔，當微腔中産生了孤子光梳時，随機光子将會擾動孤子脈沖的時序，造成出射脈沖序列的不等間距，即所謂的量子定時抖動（quantum-limited timing jitter）。這一效應已經在理論上進行了分析，并且在實驗上也得到了驗證。在頻域上，量子定時抖動則對應着孤子光梳重頻的噪聲，對于孤子光梳的許多應用如精密測量、微波合成、數據傳輸等都有着負面的影響。因此如何抑制孤子光梳的量子定時抖動有着十分重要的意義。

課題組提出可以借助色散波有效抑制孤子光梳的量子定時抖動，這一方案方便操作，且具有普适性。抑制機制的基本原理如圖1(b)所示，量子噪聲主要通過擾動孤子脈沖的載波頻率從而影響孤子脈沖在微腔中傳播的速度來導緻量子定時抖動。若考慮色散波參與這一過程，當孤子光梳重頻被量子噪聲擾動的時候，色散波模式與對應梳齒之間失諧也會随之變化，由此帶來色散波功率的變化。由于色散波會對孤子光梳的頻譜中心産生反沖效應，即光譜的中心偏移泵浦頻率，且偏移量與色散波的功率成正比。因此，上述過程将會通過頻譜反沖效應負反饋量子噪聲帶來的載波頻率抖動從而抑制孤子光梳的量子定時抖動。

為了定量研究量子定時抖動抑制機制，基于單模色散波的模型，課題組對帶色散波孤子光梳的量子定時抖動進行了理論分析，建立了如圖1(c)所示的時域模型。色散波的參與會在孤子光梳量子定時抖動過程中引入一個額外的粘滞阻尼力，從而有效抑制量子定時抖動。為了驗證這一理論模型，課題組推導了噪聲抑制因子與泵浦條件之間的關系，并在數值上基于上述模型進行仿真，最終數值仿真結果和理論分析吻合良好。此外，在仿真中還發現量子噪聲引起的孤子光梳直接抖動(Direct jitter)并不能被色散波抑制，直接抖動應該被考慮為孤子光梳的最終基本噪聲極限。

最後，課題組設計實驗對這一抑制機制進行了驗證。該實驗的挑戰在于通常情況下經典噪聲遠大于量子噪聲，量子定時抖動通常被其他噪聲源給淹沒。為了克服這一挑戰，在實驗上一方面課題組通過調節泵浦激光器與腔模之間的失諧來達到一個較低噪聲的孤子态，另一方面通過人為注入放大自發輻射(ASE)噪聲來放大量子噪聲的影響，結合這兩種方法可以将放大的量子噪聲擡出經典噪聲本底。最終，實驗測量的帶色散波孤子光梳的量子定時抖動比沒有色散波的理論預期和數值仿真低18 dB，為色散波抑制孤子光梳量子定時抖動提供了有力的證明。

beat365官方网站2021級博士生金星，2020級本科生呂喆和2019級博士生姚璐為論文共同第一作者。楊起帆為該論文的通訊作者。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、國家自然科學基金及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室和納光電子前沿科學中心的大力支持。

論文原文鍊接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.073801