近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學中心楊起帆研究員課題組與南開大學薄方教授課題組合作，提出了一種通過耗散調控抑制薄膜铌酸锂微腔中拉曼增益的新機制，成功實現了暗脈沖微梳，并通過數值仿真和實驗驗證了這一機制。2025年3月10日，相關研究成果以“基于耗散調控微腔的寬譜微波重頻暗脈沖微梳”（Broadband microwave-rate dark pulse microcombs in dissipation-engineered LiNbO3 microresonators）為題，發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

克爾微梳是一種在光學微腔中生成的寬帶光源，能夠實現光學頻率與微波頻率的相幹連接，在精密測量、微波光子學和量子信息等領域具有廣闊的應用前景。暗脈沖微梳是克爾微梳的重要分支，因其高轉換效率和強梳齒功率，特别适用于低噪聲和高精度的應用場景。

薄膜铌酸锂憑借其獨特的非線性光學特性，被譽為“光學矽”——它既能通過二階非線性效應實現高速電光調制與高效頻率轉換，又能通過三階非線性效應生成寬帶光頻梳，成為少數可單片集成電光調控、頻率轉換與光頻梳生成功能的光子材料，為下一代多功能集成光子芯片提供了理想平台。

然而，薄膜铌酸锂中的拉曼增益長期以來一直是暗脈沖微梳生成的關鍵挑戰。拉曼增益會通過光場與晶格振動的耦合，引發微腔内的寄生能量轉移，破壞暗孤子的鎖模穩定性，導緻系統從鎖模的暗脈沖微梳狀态退化為不鎖模的拉曼克爾梳狀态。針對這一難題，研究團隊提出了一種基于耗散調控的創新策略。

圖1 傳統直波導與同心圓波導耦合設計的對比。（a） 傳統直波導耦合設計，系統本征損耗k_o與耦合損耗k_ex随波長的關系。(b) 拉曼克爾光梳的光譜和時域波形。(c) 同心圓波導耦合設計，系統本征損耗k_o與耦合損耗k_ex随波長的關系。(d) 暗脈沖光梳的光譜和時域波形。

微腔總損耗由本征損耗（材料吸收/散射，工藝制約）與耦合損耗（波導-微腔能量交換，設計決定）構成，耦合損耗是實現耗散調控的核心自由度。傳統直波導耦合屬于無耗散調控方案，由于直波導與彎曲波導的相位失配及耦合長度不足，導緻耦合損耗随波長變化緩慢，難以在拉曼增益波段引入高損耗，因而無法有效抑制拉曼增益波長的共振模式。針對這一瓶頸，研究團隊創新性提出一種耗散調控策略：采用同心圓波導耦合器，通過延長耦合長度引入相位匹配，在拉曼增益波段引入高損耗，從而抑制共振模式的形成，有效優化微腔的能量分布。為驗證這一策略的有效性，研究團隊基于Lugiato-Lefever方程對此進行了數值仿真，對比了無耗散設計（直波導耦合）和耗散設計（同心圓波導耦合）對暗脈沖微梳生成的影響。仿真結果表明，在無耗散調控條件下，微腔易于産生拉曼克爾光梳；而在引入耗散調控後，微腔能夠穩定生成暗脈沖微梳。

研究團隊制備了具有耗散調控設計的薄膜铌酸锂微腔器件（圖2a），并利用1563.2 nm的連續光成功激發出寬達200 nm（覆蓋C+L波段）、25 GHz重頻的暗脈沖微梳（圖2b）。進一步實驗驗證其關鍵性能，該暗脈沖微梳重頻調諧範圍可至292 kHz（圖2c），泵浦光相位噪聲至重頻噪聲的傳導因子高至43 dB（圖2d），表明暗脈沖光梳對泵浦激光擾動具有強抑制能力；重頻相位噪聲低至-143 dBc/Hz@1MHz，滿足相幹光通信對光源線寬的嚴苛要求。

圖2 暗脈沖光梳性能表征。(a) 微環的電鏡圖像。（b）暗脈沖微梳光譜。(c)不同失諧下的重頻拍頻信号。(d) 暗脈沖微梳重頻的單邊帶相位噪聲。

這項研究的突破性在于：通過耗散調控機制，成功抑制了拉曼增益對暗脈沖微梳生成的幹擾，首次成功實現了基于薄膜铌酸锂微腔的高性能暗脈沖光頻梳系統。這不僅揭示了耗散對微腔光梳動力學的調控機制，同時也為未來光學頻率梳單片集成工藝的發展奠定了基礎，推動快速電光調諧與自參考鎖定的協同優化，為光頻梳芯片在光學原子鐘、雙光梳光譜儀、光計算、超高速光通信等領域的應用提供重要支撐。

beat365官方网站2021級博士生呂曉敏、2023級博士生聶彬彬以及beat365官方网站博士後楊晨為該論文的共同第一作者。beat365官方网站博士後楊晨、南開大學beat365薄方教授和beat365官方网站楊起帆研究員為該論文的共同通訊作者。其他合作者還包括beat365官方网站呂國偉研究員、龔旗煌教授、beat365博士研究生王澤、劉炎武、金星、朱凱旋、錢都、張冠宇以及南開大學beat365博士研究生馬蕊和碩士研究生陳振宇。該研究得到了國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、國家自然科學基金以及人工微結構和介觀物理全國重點實驗室與納光電子前沿科學中心的大力支持。

論文原文鍊接

https://www.nature.com/articles/s41467-025-57736-3