近日，太阳成集团tyc9728现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室、纳光电子前沿科学中心杨起帆研究员课题组与南开大学薄方教授课题组合作，提出了一种通过耗散调控抑制薄膜铌酸锂微腔中拉曼增益的新机制，成功实现了暗脉冲微梳，并通过数值仿真和实验验证了这一机制。2025年3月10日，相关研究成果以“基于耗散调控微腔的宽谱微波重频暗脉冲微梳”（Broadband microwave-rate dark pulse microcombs in dissipation-engineered LiNbO3 microresonators）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

克尔微梳是一种在光学微腔中生成的宽带光源，能够实现光学频率与微波频率的相干连接，在精密测量、微波光子学和量子信息等领域具有广阔的应用前景。暗脉冲微梳是克尔微梳的重要分支，因其高转换效率和强梳齿功率，特别适用于低噪声和高精度的应用场景。

薄膜铌酸锂凭借其独特的非线性光学特性，被誉为“光学硅”——它既能通过二阶非线性效应实现高速电光调制与高效频率转换，又能通过三阶非线性效应生成宽带光频梳，成为少数可单片集成电光调控、频率转换与光频梳生成功能的光子材料，为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长期以来一直是暗脉冲微梳生成的关键挑战。拉曼增益会通过光场与晶格振动的耦合，引发微腔内的寄生能量转移，破坏暗孤子的锁模稳定性，导致系统从锁模的暗脉冲微梳状态退化为不锁模的拉曼克尔梳状态。针对这一难题，研究团队提出了一种基于耗散调控的创新策略。

图1 传统直波导与同心圆波导耦合设计的对比。（a） 传统直波导耦合设计，系统本征损耗k_o与耦合损耗k_ex随波长的关系。(b) 拉曼克尔光梳的光谱和时域波形。(c) 同心圆波导耦合设计，系统本征损耗k_o与耦合损耗k_ex随波长的关系。(d) 暗脉冲光梳的光谱和时域波形。

微腔总损耗由本征损耗（材料吸收/散射，工艺制约）与耦合损耗（波导-微腔能量交换，设计决定）构成，耦合损耗是实现耗散调控的核心自由度。传统直波导耦合属于无耗散调控方案，由于直波导与弯曲波导的相位失配及耦合长度不足，导致耦合损耗随波长变化缓慢，难以在拉曼增益波段引入高损耗，因而无法有效抑制拉曼增益波长的共振模式。针对这一瓶颈，研究团队创新性提出一种耗散调控策略：采用同心圆波导耦合器，通过延长耦合长度引入相位匹配，在拉曼增益波段引入高损耗，从而抑制共振模式的形成，有效优化微腔的能量分布。为验证这一策略的有效性，研究团队基于Lugiato-Lefever方程对此进行了数值仿真，对比了无耗散设计（直波导耦合）和耗散设计（同心圆波导耦合）对暗脉冲微梳生成的影响。仿真结果表明，在无耗散调控条件下，微腔易于产生拉曼克尔光梳；而在引入耗散调控后，微腔能够稳定生成暗脉冲微梳。

研究团队制备了具有耗散调控设计的薄膜铌酸锂微腔器件（图2a），并利用1563.2 nm的连续光成功激发出宽达200 nm（覆盖C+L波段）、25 GHz重频的暗脉冲微梳（图2b）。进一步实验验证其关键性能，该暗脉冲微梳重频调谐范围可至292 kHz（图2c），泵浦光相位噪声至重频噪声的传导因子高至43 dB（图2d），表明暗脉冲光梳对泵浦激光扰动具有强抑制能力；重频相位噪声低至-143 dBc/Hz@1MHz，满足相干光通信对光源线宽的严苛要求。

图2 暗脉冲光梳性能表征。(a) 微环的电镜图像。（b）暗脉冲微梳光谱。(c)不同失谐下的重频拍频信号。(d) 暗脉冲微梳重频的单边带相位噪声。

这项研究的突破性在于：通过耗散调控机制，成功抑制了拉曼增益对暗脉冲微梳生成的干扰，首次成功实现了基于薄膜铌酸锂微腔的高性能暗脉冲光频梳系统。这不仅揭示了耗散对微腔光梳动力学的调控机制，同时也为未来光学频率梳单片集成工艺的发展奠定了基础，推动快速电光调谐与自参考锁定的协同优化，为光频梳芯片在光学原子钟、双光梳光谱仪、光计算、超高速光通信等领域的应用提供重要支撑。

关于2021级博士生吕晓敏、2023级博士生聂彬彬以及太阳成集团tyc9728博士后杨晨为该论文的共同第一作者。太阳成集团tyc9728博士后杨晨、南开大学太阳成集团tyc9728薄方教授和太阳成集团tyc9728杨起帆研究员为该论文的共同通讯作者。其他合作者还包括太阳成集团tyc9728吕国伟研究员、龚旗煌教授、太阳成集团tyc9728博士研究生王泽、刘炎武、金星、朱凯旋、钱都、张冠宇以及南开大学太阳成集团tyc9728博士研究生马蕊和硕士研究生陈振宇。该研究得到了国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金以及人工微结构和介观物理全国重点实验室与纳光电子前沿科学中心的大力支持。

论文原文链接

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