薄膜铌酸锂让科学家展示跨八度孤子频率梳

光学频率梳的发明给频率计量学和计时带来了革命性的改变。

这种频率梳被微型化到光子芯片上，主要借助微谐振器克尔孤子频率梳，为超快光谱学、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了便携式解决方案，从而拓展了这些功能。

对于许多这类应用而言，需要低噪声的孤子频率梳，但是孤子重复率和载波包络偏移的稳定通常需要诸如倍频和电光分频之类复杂的片外设备。

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生成能力，有望搭载由片上组件完全稳定的集成频率梳。然而，适用于由集成电光调制器和周期性极化波导进行稳定的全连接频谱的倍频程孤子尚未得到证实。

这在一定程度上是因为铌酸锂微谐振器呈现出低阈值拉曼激光现象

这是一种与克尔效应相竞争的非线性过程，从而引发了参量振荡和锁模孤子态

需要精确的指导原则来抑制铌酸锂微谐振器中的拉曼激光现象，这不仅能够实现倍频程孤子源，而且有助于其芯片级稳定以及可靠地集成到大规模光子系统中。

“薄膜铌酸锂已被证实是一种应用于光子学的极具优势的材料，”哈佛大学量子科学与工程专业的博士生 Yunxiang Song 说。“所以，我们的目标是在这个平台上对孤子微梳的产生形成一个全面的认识，这样它们就可以与其成熟的主动调制和频率转换能力结合使用，最终用于构建更好的集成梳状光源。”

在发表于《光：科学与应用》的一篇新论文中，由哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的马尔科·隆查尔教授和杨基尤尔教授领导的一组科学家，在朝着此目标迈进的过程中取得了进展。他们于薄膜铌酸锂光子平台上展示出了跨八度的克尔孤子频率梳。

他们还基于针对微谐振器模式间距和耗散分布的工程设计确立了设计规则，始终抑制拉曼激光，以支持孤子频率梳的生成。具体而言，当微谐振器模式间距大于拉曼增益带宽时，他们展示出了一个从 131 到 263 THz 的跨八度孤子。

更妙的是，当通过滑轮式耦合来增加拉曼激光模式附近的耗散时，他们在制造不同设计（涵盖各种色散及谐振器尺寸）的支持孤子的微谐振器方面，取得了超过 88%的成功率，并且还展示了一个从 126 到 252 太赫兹的跨八度孤子，没有频谱间隙。

所报道的拉曼抑制方法或许会加快薄膜铌酸锂上孤子频率梳的未来发展进程，并能够在其他新兴电光晶体材料（比如薄膜钽酸锂）中直接生成非线性频率梳，预计在这些材料中干扰性的拉曼激光将发挥作用。此外，完全连接且跨八度的孤子状态或许会开启系统级的演示，例如光频率合成和梳状参考激光光谱学。

该团队认为：“尽管仍处于早期阶段，但八度跨度的孤子频率梳的可靠的制造工艺展现出基于薄膜铌酸锂来开发单片式和紧凑型梳驱动光子系统的潜力。”