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专家视点
锁模微梳为光子学应用提供了一种独特而紧凑的解决方案，从光通信、光学时钟、光学测距、精密光谱学、新型量子光源到光子人工智能。然而，光子微结构受到环境热噪声和激光诱导非线性效应的扰动，导致产生的梳状频率不稳定。在此，Niu等人提出了一种完全稳定微梳的通用机制，并进行了实验验证。通过结合两种全局调谐方法和自主热锁定机制，可以在不中断微梳生成的情况下实时独立控制微梳的泵浦激光频率和重复率。在一个实际的实验配置中，研究人员引入了一个由泵浦激光器和辅助激光器独立控制的双温度模型，以实现微梳的自适应稳定和重复率的独立调谐。研究人员实现了任意梳线的快速、可编程和通频控制，并在波长计的原理验证中获得了kHz左右的频率测量精度。与之前MHz精度的工作相比，这项工作精度提高了三个数量级。这种梳状频率的完全控制方法可以应用于各种微梳平台，并提高其在定时、光谱和传感方面的性能。该工作发表在Nature Communications上。
Rui Niu, Ming Li, Shuai Wan, Yu Robert Sun, Shui-Ming Hu, Chang-Ling Zou, Guang-Can Guo and Chun-Hua Dong. kHz-precision wavemeter based on reconfigurable microsoliton, Nature Communications 14: 169 (2023).
得益于微谐振器中的超高品质因子和小模体积，仅用mW级连续波激光，克尔和普克尔非线性光学效应就可以产生频率梳和迷人的微孤子。对于微孤子的潜在应用，特别是在光通信、光测距、光时钟、精密光谱学、新型量子光源、光谱仪和光子人工智能中，强烈需要每条梳线的高频稳定性和可调性。由于色散和非线性相互作用以及驱动和耗散之间的平衡，相邻梳线之间的频率差，即重复率，仅由微谐振器的自由光谱范围决定。对于频率稳定的泵浦激光器，只需要稳定微谐振器来固定重复率，就可以实现对梳频率的完全控制。
然而，微谐振腔由于模体积小，容易受到环境热噪声和寄生激光诱导的非线性效应的影响，对于超窄光学谐振，微孤子对腔模和泵浦激光的频率波动更为敏感。这些有害影响会引起介电材料的折射率和微谐振器几何形状的局部扰动，从而导致单个光学谐振的不均匀偏移并导致自由光谱范围的意外波动。为了稳定孤子梳，基于热光学和电光效应，利用依赖于介电折射率或腔几何形状全局变化的常见腔调谐方法，这会导致谐振的全局频移。这种方法同时调谐所有模式的频率和自由频谱范围，因此很难实现对梳齿的完全控制。例如，在调整重复率时，无法保持目标泵浦模式波长不变，因为整个腔光谱同时偏移的量比自由光谱范围漂移大几个数量级。那么驱动激光将处于远共振状态，微石处于两难境地。最终，稳定甚至调谐重复率面临挑战，微孤子的实际应用受到阻碍。
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图1a示意性地说明了腔的基本全局频率调谐机制，因为通过在腔内插入或移除不同的介电材料，可以有效地描述光往返路径的变化。在实际应用中，微腔的全局频率调谐可能是由温度变化、几何变形或电光效应引起的，这些因素在腔长尺度上几乎是均匀的。作为单一全局频率调谐的结果，所有光学共振都属于同一模式族，并向同一方向偏移[图1b]。由于材料和几何色散，共振位移的速率略有不同，因此，自由光谱范围在全局频率调谐下也会发生变化，而自由光谱范围的变化比单个共振的变化小几个数量级。因此，泵浦激光频率和微孤子的重复率重复率不能通过单一的全局频率调谐方法独立控制。
然而，重复率的实时控制不仅对微孤子的稳定至关重要，而且对精密光谱学和光学频率参考的应用也至关重要。通过同时引入不同的全局频率调谐方法，可以规避这一挑战。调谐可以被描述为对腔材料的有效折射率的修改。研究人员在硅微棒腔中进行了重复率独立控制的实验演示。通过同时激发两种不同的空间模式，利用热光学效应提出了两种全局频率调谐机制，如图1d所示。驱动激光器激发微孤子，并采用辅助激光器泵浦具有不同场分布的另一种模式。比较泵浦基模和辅助激光器高阶模的计算电场和温度场，辅助模的空间温度分布比泵浦模更均匀。由于热光折射率变化与温度成正比，泵浦激光器引起的更局部的热场会引起折射率的更强色散变化，从而引起不同的全局频率调谐。值得注意的是，在某些条件下，由于两个温度之间的平衡，泵浦激光器驱动的模式的频率几乎可以自适应地固定。因此，使用功率和频率稳定的泵浦激光器，可以通过改变辅助激光器的功率或频率来调节微腔的自由光谱范围。
为了通过双温度模型验证柔性模式频率控制，研究人员使用图2a所示的装置进行了实验。泵浦激光器（1551.3 nm）用于刺激和维持微孤子，辅助激光器通过相反方向的不同空间模式驱动微腔，有助于抑制强烈的热不稳定性。图2b显示了典型的孤子光谱（蓝线），红线是辅助激光产生的梳背散射。为了方便起见，梳线用整数μ标记，梳频率为 fμ = fp + μfrep，μ=0对应泵浦模式。当微腔达到孤子状态时，通过扫描辅助激光器的频率，可以有效地调整泵浦模族的频率。模式偏移的数值结果，如图2c所示，表明频率偏移的斜率与μ成正比，即在中心模式频率固定的情况下，辅助激光频率发生变化。为了验证这一点，用弱探测激光（~50 μW）表征了孤子梳线周围的腔共振，同时单孤子状态得以维持，泵浦激光由参考腔稳定。如图2d所示，光学模式的测量频移与理论预测一致，表明自由光谱范围确实被辅助激光调谐。自由光谱范围的调谐也符合测量的重复率偏移与辅助激光频率之间的线性关系[图2e]，这与之前基于色散波和拉曼自频移的调谐机制不同。
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通过改变辅助激光失谐来实现对频率的独立调谐，可以实现对孤子光谱的实时控制，并能将频率锁定在射频时钟上。当泵浦是固定的，这里的设备是一个可靠的频率参考，并使广泛的应用，因为频率fμ = fp + μfrep可以完全确定。例如，利用可控的、全稳定的微孤子开发了一种高精度的测波仪，用于测量三个激光信号，如图3所示。射频激光光谱记录了这些激光ωj和相邻梳线fμ之间的Ωj =∣ωj − fμ∣。信号的频率由ωj= fp+μfrep±Ωj计算，要求确定μ的值和符号并清除Ωj前符号的模糊性。首先引入一个声光移频器的测量装置，通过切换声光调制器频率从80 MHz到75 MHz和探测激光的频率改变，因此，可以确定符号。然后，扫描frep在测波计操作过程中并获得∣μ∣=∣∂Ωj/∂frep∣。μ的符号通过检查∂Ω符号的奇偶性来确定）。该波长仪在声光调制器移位和频率调谐下的拍轨迹，如图3a所示，射频光谱中信号的放大迹，如图3c-e所示，在t=6 s时间附近有声光调制器频率切换。射频光谱中频率的相应演化，如图3c-e所示，可以确定地推导出相应的探针激光器的梳线顺序，分别为μ=18、−9、17。因此，多波长测量可以同时实现而无模糊性，这对商用波长测量仪来说是一个很大的挑战。在大约21 s时，微梳的重复频率突然被调谐，系统在1 ms内快速响应并保持孤子状态。可以估计，这种方法的锁定带宽超过1 kHz。在实现波波计的运转中，实现了自由波的快速调谐和切换，这是独特的，有利于许多需要双梳源的应用。
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波长计的性能进一步通过测量频率变化的信号来表征。图4a显示了通过实时切换探头激光频率在频域和时域中测量的USTC模式。即使图案的频率范围小至1.2 MHz，波长计也可以清楚地分辨出图案，这表明波表的高频分辨率。由于波长计的分辨率和精度取决于微梳的频率稳定性，因此，可以通过将重复率锁定到微波参考并反馈到辅助激光器来进一步提高性能。频率稳定性的特征是稳定孤子的测量重复率和超稳定激光器与最近梳线之间的拍频，如图4b,c所示。重复率（拍）的不确定度为0.013（0.49）kHz，置信区间为95%。在图4d,e中，重复率和拍频的稳定性进一步通过Allan偏差进行了测试。比较自由运行状态（空心橙色圆圈）和锁定状态（实心橙色圆圈），稳定梳的性能有了显著提高，表明频率测量精度达到了kHz级（1秒测量时间为17 kHz）。因此，实验中的频率精度被推断为相似水平。
总之，研究人员提出并实现了一种精确彻底控制微孤子光谱的通用机制。通过引入多种全局频率调谐方法，腔的单模谐振和自由光谱范围被解耦，可以独立调谐。与之前完全稳定的微孤子相反，研究人员实现了重复率和泵浦激光频率的解耦。实验上，基于热光效应的双温度模型实现了微孤子的全光自适应控制。通过切换和稳定微孤子，研究人员实现了一种具有kHz级超高频测量精度和同时测量多波长能力的波长计。这项工作中展示的机制适用于所有具有全局频率调谐方法的介电微腔，并通过引入更多的全局频率调谐技术来完全控制腔的高阶色散，这也可能对基于梳状生成的其他非线性过程有用，如锁模激光器和普克尔微梳。例如，这种方案可以扩展到具有光机或电光调谐的微环谐振器。因此，精确微孤子控制将促进其在精密测量、光学时钟、光谱学以及通信中的潜在应用。
研究人员简介
邹长铃，中国科技大学物理学院教授，研究方向为集成光学与量子光学及腔光机械系统。
E-mail: clzou321@ustc.edu.cn
董春华，中国科技大学物理学院教授，研究方向为回音壁模式微腔理论及实验。
E-mail: chunhua@ustc.edu.cn
