近期，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張文富、趙衛(wèi)課題組與北京大學(xué)物理學(xué)院、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授肖云峰、龔旗煌院士課題組合作，在集成微腔光頻梳領(lǐng)域取得進(jìn)展。該研究利用合成勢阱場，首次在單個微諧振腔中實(shí)現(xiàn)了具有32種重復(fù)頻率的孤子晶體光頻梳，其重復(fù)頻率覆蓋了多個射頻波段和太赫茲波段。

　　近年來，集成微腔光頻梳技術(shù)已取得長足進(jìn)步，在激光雷達(dá)、相干通信、精密光譜、微波光子學(xué)、集成光鐘和量子光源等領(lǐng)域展示出優(yōu)勢。然而，微腔孤子的產(chǎn)生通常具有隨機(jī)性，為集成光頻梳實(shí)際應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。為此，研究人員引入外部控制光場，通過其與泵浦光拍頻形成的腔內(nèi)光場勢阱，實(shí)現(xiàn)了對孤子的捕獲和操控，從而得到腔內(nèi)孤子等間隔排布的合成孤子晶體光頻梳（也稱為完美孤子晶體光頻梳）。合成孤子晶體光頻梳的實(shí)現(xiàn)打破了微腔尺寸對孤子光頻梳重復(fù)頻率的限制，例如，在一個自由光譜范圍為49 GHz微腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.57 THz重復(fù)頻率的孤子光頻梳；孤子晶體排布的有序性使梳齒功率得到提升，如N孤子晶體光梳總功率相對于單孤子增強(qiáng)了N倍，其單根梳齒功率則增強(qiáng)了N²倍，為高功率微腔光頻梳應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　此外，該研究還揭示了一種不同于傳統(tǒng)微腔呼吸孤子的新型孤子受迫振蕩現(xiàn)象，其來源于合成光場勢阱和孤子脈沖的群速度差；通過調(diào)諧控制光束的頻率，可實(shí)現(xiàn)對振蕩頻率的人為調(diào)控。另外，由于微腔內(nèi)存在熱光效應(yīng)，孤子的重復(fù)頻率也將在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)諧。以單孤子光頻梳為例，該研究實(shí)現(xiàn)了孤子受迫振蕩頻率～20 MHz、重復(fù)頻率～60 kHz的連續(xù)調(diào)諧，為精密調(diào)諧孤子重復(fù)頻率提供了新方案。

　　該研究首次將合成的微腔勢阱場引入微腔孤子光頻梳實(shí)驗(yàn)研究，為微腔孤子脈沖的操控與轉(zhuǎn)換提供了新思路；實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)合成孤子晶體光頻梳對5G無線通信、激光雷達(dá)和高純度微波源等應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)研究成果以《可任意合成的孤子晶體》（Synthesized soliton crystals）為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。西安光機(jī)所博士盧志舟（2020屆畢業(yè)）和副研究員王偉強(qiáng)、北京大學(xué)博士研究生陳豪敬（2019級）和姚璐（2019級）為論文的共同第一作者，張文富和肖云峰為論文的共同通訊作者，美國弗吉尼亞大學(xué)助理教授易煦在實(shí)驗(yàn)設(shè)計和理論建模等方面提供了重要指導(dǎo)。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的資助。

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圖1.任意合成孤子晶體示意圖

圖2.（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）蝶形封裝后的高品質(zhì)因子集成微腔圖；（c）孤子晶體光譜圖，其中數(shù)字表明孤子晶體包含的孤子脈沖個數(shù)，虛線表示特征擬合包絡(luò)