科学家在薄膜铌酸锂上演示了跨倍频程的孤子频率梳

光学频率梳的发明彻底改变了频率计量和计时。将这种梳子小型化到光子芯片上，主要利用微谐振器克尔孤子频率梳，通过为超快光谱、激光频率同步以及稳定的光学、毫米波和微波频率生成提供便携式解决方案，扩展了这些功能。

对于许多这样的应用，需要低噪声孤子频率梳，但孤子重复率和载波包络偏移的稳定通常需要复杂的片外机制，例如倍频和电光分频。

超低损耗薄膜铌酸锂光子平台具有强大的电光效应和高效的二次谐波产生能力，有望用于集成频率梳，并由片上元件完全稳定。然而，具有完全连通光谱的倍频程孤子尚未得到证实，这种孤子适合通过集成电光调制器和周期极化波导进行稳定。

这在一定程度上是由于铌酸锂微谐振器表现出低阈值拉曼激光，这是一种与克尔效应竞争的非线性过程，可引发参量振荡并锁模孤子态。因此，需要精确的指导方针来抑制铌酸锂微谐振器中的拉曼激光，这不仅可以实现跨倍频程孤子源，还可以促进其芯片级稳定性和可靠地集成到大规模光子系统中。

哈佛大学量子科学与工程专业博士生宋云翔表示：“薄膜铌酸锂已被证明是一种非常强大的光子学材料。因此，我们的目标是在这个平台上全面了解孤子微梳的生成，以便将它们与其成熟的主动调制和频率转换功能结合使用，最终构建更好的集成梳状源。”

在《光：科学与应用》杂志发表的一篇新论文中，由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的MarkoLončar教授和KiyoulYang教授领导的科学家团队在这一目标上取得了进展。他们在薄膜铌酸锂光子平台上演示了跨倍频程的克尔孤子频率梳。

他们还根据微谐振器模式间距和耗散曲线设计了设计规则，从而持续抑制拉曼激光，以利于孤子频率梳的产生。具体来说，当微谐振器模式间距大于拉曼增益带宽时，他们展示了一个跨度为131至263THz的八度孤子。

更好的是，当使用滑轮型耦合增加拉曼激光模式附近的耗散时，他们在制造不同设计(包括各种色散和谐振器尺寸)的支持孤子的微谐振器方面取得了超过88%的成功率，并且还显示了跨越126至252THz的八度跨越孤子，没有光谱间隙。

报道的拉曼抑制方法可能会加速未来在薄膜铌酸锂上开发孤子频率梳，并使得在其他新兴电光晶体材料(如薄膜钽酸锂)中直接生成非线性频率梳成为可能，其中干涉拉曼激光有望发挥作用。此外，完全连接的、跨倍频程的孤子状态可能会解锁系统级演示，例如光频合成和梳状参考激光光谱。

研究团队认为，“尽管仍处于早期阶段，但跨倍频程孤子频率梳的可靠制造显示出开发基于薄膜铌酸锂的单片、紧凑型梳状驱动光子系统的潜力。”