《Light》刊发北大新成果:谐振耦合架构实现超宽带孤子微梳,能效创纪录

导语

近日,北京大学物理学院团队在《Light: Science & Applications》期刊上发表了一项突破性成果(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02186-9),他们通过一种巧妙的"谐振耦合"设计,成功解决了孤子微梳长期以来面临的"高功率需求"瓶颈,首次在微波重复频率下实现了低功耗、跨倍频程的超宽带光频梳。

核心突破

基于这一原理,团队利用高质量氮化硅微环腔,在实验上实现了多项突破:

1.效率与宽度双提升

在相同的泵浦功率下,采用新结构的微腔,其产生光梳的3dB带宽达到了15.8THz,是传统结构的2.5倍以上。光谱覆盖从1100nm到2200nm,横跨了光通信的多个波段,包含841根高功率梳齿。更重要的是,泵浦到光梳的转换效率从2.1%跃升至8.4%,能量利用率大幅提高。

2.首次实现微波重复频率下的跨倍频程光梳

跨倍频程光谱是实现光梳"自参考"锁定的关键,也是构建绝对频率基准的前提。此前,在低重复频率下实现跨倍频程需要极高的泵浦功率,被认为是片上集成的"不可能任务"。

借助新架构,团队首次在25 GHz的微波重复频率下,仅用139mW的泵浦功率,就成功产生了覆盖1098nm至2250nm的跨倍频程光梳。其关键能效指标(泵浦功率×重复频率平方)比此前最好记录低了两个数量级。

3.与片上激光器"即开即用"

更进一步,团队将这一方案与片上分布式反馈激光器进行了混合集成。通过精确控制回灌光的相位,实现了自注入锁定,使得孤子微梳能够以近100%的成功率稳定启动。最终,在仅约20mW的片上泵浦功率下,便产生了99GHz重复频率、带宽超300nm的稳定孤子光梳。

意义与展望

这项研究的意义远不止于一次技术指标的提升。它从根本上解决了阻碍孤子微梳发展的"功耗瓶颈",为这一高性能光源的广泛应用铺平了道路。

便携式光钟与频率合成器:跨倍频程且低功耗的微梳是芯片化光钟的核心,有望将超高精度的时间计量从实验室带到野外、海面甚至太空。

海量并行通信:覆盖多个通信波段的超宽带光梳,可以同时支持数千个独立通道的数据传输,为实现未来Pbit/s级别的片上光互连提供了理想光源。

高精度光谱仪:宽光谱、窄间距的光梳本身就是一把完美的"光尺",可用于天文观测中的行星搜寻、实时化学传感、医疗诊断等。

超快光学:仅33飞秒的脉冲宽度,使得在芯片上合成任意光学波形、产生低占空比的超短脉冲序列成为可能。

当然,研究团队也指出,这项技术仍有改进空间,例如需要进一步抑制辅助微环中的寄生振荡、优化耦合效率以实现更理想的临界耦合等。但可以预见的是,随着"泵浦功率"这一最大障碍的消除,孤子微梳将不再仅仅是实验室中的新奇光源,而将真正成为下一代集成光电子系统的核心引擎,驱动着从精密计量到信息处理的全方位变革。

图1:孤子微梳的泵浦方式

图2:高功率超宽带孤子微梳

图3:毫米波与微波速率的跨倍频程孤子微梳

图4:混合集成即开即用型孤子微梳

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