光学频率梳从桌面起源到芯片级平台的快速发展为实验室外的梳子功能开辟了令人兴奋的可能性。微谐振器中增强的非线性过程已成为主流的梳子生成机制，在尺寸、重量和功耗方面具有令人信服的优势。对非线性微谐振器增益和损耗的既定理解，以及最近开发的超低损耗非线性光子电路，已将微谐振器频率梳（微梳）设备的光能转换效率从低于百分之几提高到 50% 以上。本综述总结了新型光子器件和泵浦策略的最新进展，这些进展有助于实现微梳效率的里程碑。在总结剩余的挑战之前，还讨论了由此产生的梳子应用高性能集成的好处。
关键词 光学频率梳，光学微谐振器，非线性光子学
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1 简介
光频率梳 (OFC) [1, 2] 从根本上改变了频率计量、光谱学、计时和一系列其他应用。在频域中，OFC 由具有固定相位关系的谱线阵列组成，这些谱线由重复频率分隔。当阵列具有倍频程级频率跨度时，可以通过 f-2f 自参考技术控制梳线的绝对频率。这种双向链接可实现光波和射频电磁波的相干统一 [3]。
OFC 的广泛应用引发了人们对各种实现方式的兴趣，包括锁模激光器和电光 (EO) 梳 [3, 4]。然而，OFC 的小型化受到涉及离散自由空间或光纤元件的设置的复杂性的阻碍。2007 年，一种基于微谐振器的新式频率梳或“微梳”问世，成为紧凑型 OFC 创建的有前途的解决方案 [5]。这些设备利用级联四波混频 (FWM) [6, 7]，在高品质因数 (高 Q) 回音壁谐振器 [8] 中得到谐振增强。作为再生设备，它们的阈值泵浦功率与[6] 成反比，并且表现出低于 1 mW 的泵浦阈值功率。此外，克尔诱导的 FWM 在低光损耗电介质中普遍存在，这使得这些 FWM 微梳可以在各种平台上演示 [9]。然而，由于与其形成相关的复杂动力学，生成稳定的 FWM OFC 具有挑战性 [10]。这一挑战通过实现耗散克尔孤子 [11, 12] 得以克服，这一概念最初是在光纤谐振器中开发的 [13, 14]。孤子微梳已在多种材料中得到证实 [11, 15,16,17,18,19,20,21]，可提供比半导体锁模激光器大几个数量级的宽光谱 [22]。耗散克尔微梳的波形和光谱包络随微谐振器的群速度色散而变化。传统的孤子微梳（有时称为亮孤子梳）需要异常色散 [11]，但正常色散微梳（有时称为暗脉冲梳）也是可能的 [23, 24]。
更近一些，使用在绝缘体晶片上的薄膜铌酸锂上制造的高 Q 微谐振器的谐振电光微梳已经出现 [25, 26]。体电光梳 [27] 通过对光载波进行直接电光调制来产生梳状光谱。它们具有自然相干性，线间距由驱动微波的频率决定。新型集成铌酸锂波导提供低半波电压和高带宽，可实现更高效的电光调制 [28]，当集成到环形微谐振器中时，调制的有效相互作用长度大大增加 [19, 20, 29]。谐振电光微梳的光学带宽由微波驱动器的功率以及微谐振器的 Q 和色散决定。或者，通过将电光微谐振器放置在微波增强腔内，也可以实现谐振电光微梳 [30, 31]。
微梳表现出优异的相干性，可实现光谱学 [32,33,34,35,36]、光频合成 [37]、天文校准 [38, 39]、紧凑型原子钟 [40]、光通信 [41,42,43]、激光雷达 [44,45,46,47,48] 和微波光子学 [49,50,51,52,53,54] 等应用。因此，微梳的研究活动已迅速从设备级演示过渡到系统级集成。在此，得益于超低损耗 SiN波导技术的出现，微梳技术已结合最先进的集成光子学 [22]，以提高集成水平 [55,56,57,58,59,60,61]，为适合非实验室部署的紧凑型 OFC 的大规模生产铺平了道路。
应用驱动的微梳开发。微梳模块周围的箭头 [55] 表示梳线功率和数量对于不同应用的相对重要性，这些应用包括微波光子学 [49]、激光雷达 [44]、通信 [41]、光谱学 [32]、天文校准 [38] 和时间/频率标准 [37]。请注意，要求可能因所考虑的特定系统而异。图片经许可转载自：微梳技术，参考文献 [55]，版权所有 2020 Springer Nature；微波光子学，参考文献 [49]，版权所有 2022 Springer Nature；激光雷达，参考文献 [44]，版权所有 2018 AAAS；通信 [41]，参考文献 [41]，版权所有 2020 Springer Nature；光谱学，参考文献 [32]，版权所有 2016 AAAS；天文校准，参考文献[38]，版权所有 2019 Springer Nature；时间/频率标准，参考文献 [37]，版权所有 2018 Springer Nature
微梳系统应用的一个关键指标是其功率效率，我们回顾了在生成高效微梳方面的最新进展。通常，效率在很大程度上取决于梳线的数量，影响各种应用所需的梳带宽和每线梳功率（图 1）。根据技术就绪水平和应用潜力，我们重点关注两种类型的微梳：Kerr 微梳 [9, 12] 和谐振 EO 微梳 [19, 20, 30]。我们给出了微梳效率的主要限制因素，并讨论了克服这些限制的两种主要策略：使用耦合谐振器和增加泵浦带宽。我们还介绍了创建平顶微梳的最新尝试。最后，我们提供了一个关于高效微梳如何进一步推动实际应用的观点，并概述了剩余的挑战。
2 微梳效率原理
用于产生克尔和谐振电光微梳（代表性光谱如图 2a 所示）的配置具有标准布局，通常涉及连续泵浦的波导耦合微谐振器（如图 2b 所示）。除了克尔效应或电光效应（也称为普克尔斯效应）外，微梳的形成动力学可能涉及其他非线性光学过程，例如二次/半谐波产生 [18, 62, 63] 和受激拉曼/布里渊散射 [64,65,66]。这些过程，无论是独立地还是共同地，都可以导致在光谱包络内形成等距谱线。然而，大量的泵浦功率可能不会参与梳状形成过程，从而导致强泵浦线超出光谱包络。在实际应用中，需要衰减这种残余泵浦功率以防止光电探测器饱和。因此，在本篇评论中，我们采用了广为接受的“微梳效率”定义，即梳线功率（不包括超过梳包络的任何残余泵浦功率）与泵浦激光器功率之比 [15, 67, 68]。值得一提的是，这种光光转换效率不包括电光微梳中消耗的微波功率，该功率可能高达几瓦。它也不包括用于热调谐谐振的加热器功耗。结论部分讨论了电光效率。通常，亮孤子克尔微梳和谐振电光微梳的效率为百分之几或更低 [19, 67]。另一方面，暗脉冲微梳可以实现接近 50% 的效率 [68]。其效率的详细解析表达式见框 1。下一节将深入探讨限制微梳效率的三个关键因素（图 2c-e）。虽然本篇评论的重点是梳状效率，但效率、梳状跨度、光谱形状等不同指标之间可能存在权衡。
框 1：典型克尔微梳和谐振电光微梳的效率
克尔微梳：克尔微梳的形成动力学受平均场 Lugiato-Lefever 方程控制 [11, 69,70,71]。该方程为理解单个亮孤子的效率与泵浦和模式之间的失谐 () 之间的关系奠定了基础。具体而言，已经证明亮孤子的效率由[15, 72, 73] 给出
这里， 表示负载因子，将耦合损耗 () 与微谐振器的总损耗 () 进行比较。其他参数包括非线性有效模式面积 ()、线性 (n) 和非线性 () 折射率、微谐振器的品质因数 (Q)、输入泵浦功率 ()、真空中的光速 (c) 以及模式的群速度色散 ()。
为了将孤子维持在微谐振器内，失谐必须保持在与输入泵浦功率成比例的最大值以下。该最大失谐限制了单个亮孤子微梳的效率 [15, 72, 73]。此外，最近的理论和实验工作通过考虑由拉曼和色散效应引起的光谱包络偏移扩展了这一理解 [67]。这导致了最佳效率的以下表达式：
其中 是脉冲持续时间， 表示微谐振器的往返时间， 表示拉曼光谱包络偏移。对于 sech 型孤子脉冲，光谱包络 3 dB 带宽内的梳状线数量 (N) 约为 。这种缩放强调了驱动场和孤子脉冲之间的时间重叠在确定转换效率方面的关键作用，以及生成大量梳状线的难度，尤其是在拉曼活性材料中 [74]。事实上，可以从低占空比 () 推断出亮孤子的效率相对较低。微谐振器内多个孤子共存将导致效率倍增 [75,76,77,78,79]。然而，这种共存是有代价的：多个孤子的光谱表现出干涉引起的波纹，不同于单个亮孤子的明确定义的光谱包络。
暗脉冲微梳的时间波形通常呈现平顶脉冲轮廓，也称为“platicon” [24]。与亮孤子相比，这些脉冲具有相对较大的占空比。尽管没有脉冲包络的解析解，但研究表明暗脉冲效率的上限为：
其中表示半峰全宽脉冲宽度[80]。当占空比为 50% 时，效率达到峰值 ()。
谐振电光微梳：谐振电光微梳的效率可以用以下公式描述[20, 81]：
其中 表示微波诱导负载因子，其中 是谐振腔的线宽， 是微波驱动引起的泵浦附加阻尼。表示为 ，其中 是调制强度。为了生成宽带电光微梳，系统需要 。因此，微波诱导负载因子 通常会大大超过 1（例如 ，在薄膜铌酸锂平台上 [20]）。因此，谐振电光微梳的效率相对较低（ 0.3％）[19，30]。
微梳效率的定义及其局限性。a 几种微梳的代表性光谱 [11, 19, 23]。插图中还展示了微谐振器装置。b 典型微梳的示意图。微梳效率定义为光谱包络内的梳状功率与输入单色泵浦激光器功率之比。c–e 微梳效率的三个主要限制因素是注入效率 [11, 19]、非线性转换效率和发射效率 [82]。图片经许可转载自：a Kerr 微梳（亮孤子），参考文献 [11]，版权所有 2014 Springer Nature；a Kerr 微梳（暗脉冲），参考文献 [23]，版权所有 2015 Springer Nature；a 谐振电光微梳，参考文献 [19]，版权所有 2019 Springer Nature；c Kerr 微梳，参考文献[11]，版权所有 2014 Springer Nature；c 谐振电光微梳，参考文献 [19]，版权所有 2019 Springer Nature；e 参考文献 [82]，版权所有 2022 Springer Nature
注入效率。利用平均场近似，高 Q 值微谐振器的输入输出关系可以用以下方程表示：
其中表示腔内能量，表示微谐振器的总损耗率，是波导-谐振器耦合率，表示模式和泵浦之间的频率失谐。为了简化分析，通常引入负载因子作为参数来比较这些损耗率。微谐振器的理想泵浦状态是在“临界耦合” [83] 条件下实现的，其中所有泵浦功率都被限制并在微谐振器内进行内部循环，而不会被传输。对于线性微谐振器，当泵浦频率精确调谐到谐振 () 且负载因子等于 1/2 时，满足此条件。
然而，在谐振 EO 微梳中，微波调制会由于产生新的频率分量而引入额外的损耗。这导致有效负载因子降低 [20]。对于克尔微梳，除了克尔引起的非线性损耗外，亮孤子的产生还需要远红失谐条件（）[11, 12]。因此，在这两种情况下，临界耦合条件均不满足，导致大部分泵浦功率通过波导传输，而不是参与梳生成过程（图 2c）。这些注入效率的降低可以通过通用临界耦合方法动态解决，这将在第 3 节中讨论。
耦合微谐振器中的高效微梳。a–c 左图：耦合微谐振器的配置。中间图：微谐振器的能量图。右图：高效微梳的代表性光谱。d–i 演示的耦合谐振器装置。图片经许可转载自：a 光谱，参考文献 [84]，版权所有 2023 Springer Nature；b 光谱，参考文献 [85]，版权所有 2019 Springer Nature；c 光谱，参考文献 [20]，版权所有 2022 Springer Nature；d 参考文献 [84]，版权所有 2023 Springer Nature；e 参考文献 [86]，版权所有 2021 Springer Nature；f 参考文献 [87]，版权所有 2019 OSA；g 参考文献 [20]，版权所有 2022 Springer Nature；h 参考文献 [61]，版权所有 2023 OSA；i 参考文献[88]，版权所有 2022 AAAS
腔内非线性转换效率。腔内泵浦激光到梳状线的转换取决于施加到微谐振器的电驱动或光驱动（图 2d）。对于谐振电光微梳，其腔内转换效率由电光调制强度决定，而电光调制强度受微波功率和调制器的半波电压影响 [20]。另一方面，对于克尔微梳，转换依赖于微谐振器的泵浦强度 [89]。在这两种情况下，都可以通过使用具有高非线性的材料在给定的电/光功率下提高非线性转换效率。值得注意的是，高 Q 微谐振器中的 FWM 过程表现出显着的效率，因为从微谐振器的落端口出现的亮孤子已经证明高达 75% 的腔内泵浦功率可以有效地转化为梳状线 [89]。
此外，高阶色散或受激拉曼散射的发生会使波包的载波频率偏离其泵浦频率 [16, 18, 67, 90]。这反过来又会导致转换效率呈指数下降 [67]。在强拉曼活性介质中，这种影响会对带宽造成根本限制，从而阻止宽带微梳的产生 [74]。
发射效率。产生的微梳面临几种类型的耗散，例如散射和材料吸收 [82]（图 2e），这些耗散被称为微谐振器的固有损耗。因此，进入波导的发射效率本质上受到负载因子的限制。通过微谐振器的强过耦合，可以将提高到 1，但代价是 Q 值会降低。另一方面，梳状生成过程的增强会随着 EO 调制的 Q 值和 FWM 的值而变化，从而在发射效率和总功耗之间产生权衡，这可以通过改善设备的固有 Q 值来协调。
3 耦合微谐振器中产生的微梳
框 2：耦合谐振器的形式和一般临界耦合
两级系统：考虑一个简单的情况，其中两个模式（频率：；损耗率：）以速率 g 耦合。可以通过对以下 22 矩阵进行对角化来获得系统的新特征频率：
其定义为
如果 g 超过两种模式的损耗率差，则混合模式会比非耦合模式表现出更大的频率分裂，这种现象称为避免模式交叉。或者，在 g 较小的情况下，线宽会改变。
广义临界耦合：临界耦合的概念可以扩展到具有多模式和损耗通道的系统。对于双模式问题，广义临界耦合可以从以下输入输出关系推导出来 [91]：
在此上下文中，模式表示泵浦模式，而模式以耦合率 g 耦合到。模式可以对应于任何频率模式，例如由第二个腔引入的附加模式或在同一腔内表现出不同空间分布、偏振或传播方向的模式。OFC 的形成会引入非线性损耗，这在总阻尼率（和）中得到说明。通过将 的稳态解代入方程 (8)，我们得到：
该方程从载荷角度给出了模式的一般临界耦合条件，即
值得注意的是，模式混合引入了一个额外的失谐项，它可以补偿泵浦失谐 。一个例子是当用作亮孤子微梳的泵浦模式时。
通过增加泵浦带宽产生的高效微梳。a 脉冲泵浦微梳的示意图 [92]。驱动脉冲可以来自电光梳 [20, 93] 或增益开关激光器 [94]。b 脉冲泵浦微梳的光谱 [95]。插图：微梳腔内强度分布。c 参数泵浦孤子微梳 [62]。d 参数泵浦微梳的光谱 [62]。插图：微梳腔内强度分布。e 激光腔孤子微梳 [96, 97]。f 激光腔孤子微梳的光谱 [96]。插图：微梳腔内强度分布。图片经许可转载自：示意图，参考文献 [92]，版权所有 2017 Springer Nature；电光梳的图像，参考文献。[93]，版权所有 2022 Springer Nature；增益开关激光器的图像，参考文献 [94]，版权所有 2021 Springer Nature；b 参考文献 [95]，版权所有 2022 Springer Nature；c d 参考文献 [62]，版权所有 2021 Springer Nature；e 左面板，参考文献 [96]，版权所有 2019 Springer Nature；e 右面板，参考文献 [97]，版权所有 2022 Springer Nature。textbff 参考文献 [96]，版权所有 2019 Springer Nature
最近，由于复杂的非线性动力学 [88, 98, 99] 和灵活的色散工程能力 [61, 100,101,102]，人们越来越关注在耦合谐振器中生成微梳。这些设备由两个或多个微谐振器组成，其中光学模式耦合形成具有可重构能级和线宽的混合谐振结构 [91, 103,104,105]。泵浦混合模式会产生不同的输入输出关系，这可以提高微梳的注入效率并绕过上述理论限制（见方框 2）。广义临界耦合 (GCC) 的概念最初在参考文献 [91] 中提出，它为最大限度地增加流入主微谐振器（负责产生梳状光的谐振器）的能量提供了指导方针。图 3 展示了几种基于 GCC 的有希望实现高效微梳的配置。
克尔微梳中的 GCC。对于亮孤子，远红失谐泵浦阻碍了临界耦合的实现。实现 GCC 的一种方法是在泵浦模式中引入指定的避免模式交叉以补偿红失谐要求。在参考文献 [84] 中，避免模式交叉是通过将辅助微谐振器衰减耦合到主梳状微谐振器来实现的（图 3a）。通过使用热光学控制非耦合模式的频率，使低频混合模式与泵浦谐振。值得注意的是，单孤子微梳的转换效率达到 51%，与独立微谐振器中产生的单孤子微梳相比提高了 10 倍。还可以通过周期性调制微谐振器的外围来引入选择性避免的模式交叉 [86, 106,107,108,109,110,111]（图 3e）。这些光栅创建了一个一维光子晶体微谐振器，其中耦合了退化的反向传播模式。布拉格散射增强了方位角数与光栅元件数相同的模式的耦合，从而导致与光栅元件尺寸相关的固定频率分裂。在这些装置中，产生了亮孤子 [86] 和暗脉冲 [108]，显示出宽带光谱和高达 21% 的转换效率。
文献 [85] 提出了一种技术上相似但根本不同的方法来实现 Kerr 微梳中的 GCC。在这里，泵进入辅助微谐振器，然后到达主微谐振器。然后将产生的梳状光收集在引出端口（图 3b）。理想情况下，泵浦光应在辅助微谐振器内循环，直到它完全被主微谐振器中的梳状光生成过程消耗掉。为了实现这一点，辅助微谐振器需要与输入总线波导强烈过耦合，与主微谐振器相比，其线宽明显更宽。在耦合光纤环谐振器上进行的实验测试表明，效率为 0.0046%，这归因于这些千米长谐振器内孤子的占空比较小，预计在微谐振器中将达到接近 1。在直通端口观察到了显著的效率提高，其中超过 99% 的泵浦功率通过回收方案消耗掉。此外，实现功率回收的另一种方法是通过结合 Mach-Zehnder 型总线波导，该波导与微谐振器多次耦合 [112]。通过增强泵浦波长的耦合，在孤子晶体的情况下可以实现 55% 的转换效率。
谐振 EO 微梳中的 GCC。谐振 EO 微梳是 GCC 的另一个示例，与 Kerr 微梳相比，它提供了一种相对简单的机制。在单谐振器 EO 微梳中，当由强大的微波音调驱动时，谐振器通常会严重欠耦合。为了补偿微波引起的损耗，可以增加腔体和波导之间的外部耦合，从而导致 EO 微梳的临界耦合。然而，这种方法会显著降低谐振器的 Q 值，从而限制 EO 微梳的跨度。为了克服这一限制，采用强过耦合辅助谐振器将泵浦功率耦合到主谐振器中（图 3c）。这确保只有泵浦模式过耦合，而所有其他模式保持欠耦合。通过在辅助谐振腔上建立 GCC，泵浦光可有效流入主腔以产生光梳，从而防止辅助腔内的循环。基于 GCC [20] 的谐振电光微梳已在薄膜铌酸锂上得到验证，其转换效率比之前在单个微谐振腔中产生的最先进谐振电光微梳高 100 倍（30%），跨度高 2.2 倍（132 纳米）[19]。
4 宽带泵浦微梳
由连续波激光器泵浦的微梳通常表现为叠加在微谐振器内均匀背景上的脉冲。虽然这种背景对有效梳线功率的贡献很小，但它消耗了大量的泵浦功率。然而，微梳也与各种替代泵浦方案兼容，这些方案不符合连续波激光泵浦的理论效率极限。图 4 概述了这些不同的泵浦方案。
脉冲泵浦微梳。同步泵浦是一种广泛采用的在光学参量振荡器中产生超短脉冲的方法，其中脉冲泵浦与谐振器中形成的脉冲共循环。Herr 等人将这一概念以光纤法布里-Prot 微谐振器中皮秒脉冲泵浦孤子的形式引入了 Kerr 微梳。[92]（图 4a）。
泵浦脉冲来自一个由多个调制器和一个色散补偿单元组成的电光频率梳，可提供宽范围的可调谐重复频率和载波偏移频率 [113]。人们还探索了其他可行的光源，如谐振电光微梳和增益开关激光器 [94]。泵浦和孤子之间时间重叠的改善使效率提高了一个倍数，该倍数与驱动脉冲序列的占空比成反比。孤子操作允许泵浦的重复频率和微谐振器的 FSR 之间存在微小的偏移；然而，当偏移较大时，效率会降低 [114]。参考文献 [115] 得出最大效率为
其中 和 分别表示孤子和泵浦脉冲的持续时间。对于 sinc 形泵浦脉冲， 是 的 倍，其中 是泵浦中的谱线数量。在强过耦合硅盘微谐振器中，实现的最大效率为 54% [115]。我们注意到，对于脉冲泵浦微梳，总转换效率应包括脉冲泵浦生成本身的转换效率，这通常不包括在报告的效率中。例如，非谐振电光梳通常需要几瓦的微波功率以及相当大的光插入损耗（ dB ）来合成亚皮秒脉冲。
平顶微梳。a 通过布拉格散射产生元色散，在多频光子晶体微谐振器中生
成克尔微梳 [116]。b 通过在克尔谐振器内引入光谱滤波生成奈奎斯特孤子 [117]。c 通过在频域中引入避免模式交叉（“镜像”）生成平顶谐振电光微梳 [118]。图片经许可转载自：a 参考文献 [116]，版权所有 2023 Springer Nature；b 参考文献 [117]，版权所有 2023 Springer Nature；c 参考文献 [118]，版权所有 2022 Springer Nature
脉冲泵浦在实现电子可检测重复频率的宽带微梳方面具有重要应用。Anderson 等人 [95] 通过在群速度色散接近于零的波长处进行脉冲泵浦，在 SiN微谐振器中生成了接近八度跨度的微梳，频率为 28 GHz，同时形成了高阶色散波（图 4b）。由于微梳跨度内正常和异常色散共存，腔内波形似乎具有多个峰值，而不是独立脉冲。最近，Xiao 等人 [119] 在脉冲泵浦的高度非线性 Fabry-Prot 微谐振器中实现了 2/3 倍频程的跨度，该微梳具有 10 GHz 速率的孤子微梳。这些微梳提供超过 5,000 条梳状线，可直接应用于天文学中光谱仪的宽带校准 [39]。
参数泵浦微梳。自 20 世纪 90 年代初以来，人们就提出了通过参数下变频以两倍于载波频率的频率泵浦耗散克尔孤子的可能性 [120,121,122,123]。参数驱动方案要求谐振器同时支持 和 非线性（图 4c）。虽然 参数增益的带宽比四波混频过程窄，但可以通过周期性极化来扩展。最近在光纤谐振器 [124] 和 AlN 微谐振器 [62] 中进行了实验演示，使用可见光范围内的泵浦波长并在红外 (IR) 中产生孤子。在 AlN 微谐振器中，多对梳状线从参数下变频中获益，从而产生 17% 的显著效率，比连续波泵浦方法高出一个数量级以上。还发现 IR 孤子的腔内波形没有背景（图 4d）。此外，这些双谐振微谐振器中的过程产生了有效的克尔非线性 [125]，有望产生纯普克尔孤子。
激光腔孤子微梳。与参数过程相反，稀土离子等活性介质可以存储未使用
的能量以备后用。在激光腔内嵌入微谐振器可以在谐振点处产生激光，从而无需使用窄线宽泵浦激光器（图 4e）[96]。激光频率由修改后的往返相位关系决定，可以通过调整外腔长度在微谐振腔谐振周围进行微调整。泵浦频率的红色失谐导致微谐振腔中孤子的形成，满足自启动锁模过程的简单标准（图 4f）[97]。Er离子的能量结构为电信 C 波段梳状线提供了相当大的增益，使得光谱中心明显强于其他部分，并且包络偏离 sech形状（图 4g）。波形也没有连续波背景，因为 Er离子只放大循环孤子脉冲。模式效率描述了没有最强梳状线的梳子的能量比，据报道在这种配置中高达 75% [96, 126]。效率的更严格定义应该是指用于泵浦 Er离子的光功率。
5 平顶微梳
微梳光谱的平坦度是另一个重要参数，因为现代通信系统对每个信道发射的功率都有严格的标准。虽然级联参数过程可以拓宽微梳的光谱，但由于群速度色散，大多数产生的梳线明显弱于光谱中心附近的梳线。事实上，许多基于波分复用技术的应用的性能往往受到最弱梳线的限制。已经提出了几种通过修改谐振结构的色散和损耗来实现平顶微梳的策略。
色散工程。色散是决定微梳光谱形状的最重要因素[127]。虽然 sech形亮孤子仅来自二阶异常色散，但在锁模激光器中，如果高阶色散占主导地位，则可能出现更平坦的光谱[128]。Li 等人证明，通过改变波导宽度，微环内的局部色散可以从异常调整为正常[129]。这种色散管理微谐振器有效地消除了二阶色散，转而依赖于高阶色散，从而产生了高斯形孤子微梳，其光谱以泵浦波长为中心分布更均匀。控制色散的另一种方法是使用多频光子晶体微谐振器，它利用多个分裂谐振来实现“元色散”效应（图 5a）[107, 116, 130]。在这种配置中，一组谐振中产生的克尔微梳由于灵活的色散分布而表现出不同的光谱。通过结合逆设计算法来求解 Lugiato-Lefever 方程，可以根据特定要求（例如所需的跨度、功率和光谱平坦度）定制梳状光谱。
耗散工程。平顶微梳也可以通过终止级联非线性过程来实现。在 Xue 等人最近的一项研究中， [117] 证明，通过在光纤环谐振器中加入额外的光谱滤波，可以重塑克尔梳的光谱（图 5b）。通过增加滤波强度，所需频率范围之外的梳状线被抑制，并且梳状功率在此范围内分布更均匀。适当的色散可使奈奎斯特微梳在其频谱上具有均匀的梳状功率。然而，在典型的环形或回音壁模式微谐振器中实现光谱滤波可能具有挑战性。相比之下，法布里-Prot 微谐振器自然具有必要的光谱滤波能力。在集成法布里-Prot 微谐振器中生成孤子微梳的可行性已被证明 [131]。
光谱镜像。与促进宽带参量增益的克尔效应不同，谐振电光微梳主要表现出单个梳线与其最近邻居之间的耦合。避免模式交叉的引入（突然重塑选定模式的谐振频率的干扰）有助于终止级联过程并重定向能量流 [118]。图 5c 显示了频域中的镜像效应，呈现出令人联想到驻波的周期性条纹。值得注意的是，由于干涉效应，光谱在交替线上呈现平坦化。这种镜面反射将光能困在微谐振器内，防止其在频谱中分布，从而放大两个频率镜之间的能量。这种现象使电光微梳中的光谱工程成为可能。虽然泵浦功率明显高于梳线，但可以使用电光微梳发生器上的 GCC 有效地管理它 [20]。在光纤腔系统中也证明了类似的边界效应 [132]。在这些设备中避免模式交叉的实际实现涉及反向传播模式 [133]、不同的横向模式和耦合微谐振器 [118]。
6 总结与展望
除了本综述中讨论的转换效率之外，在实际应用中，必须量化用于泵浦微梳的激光二极管、光放大器和射频驱动器的壁插效率 (WPE)，以提供对总电力消耗的关键评估。通过使用激光二极管 (WPE>20%) 泵浦高效微梳，可以实现与最先进的半导体锁模激光器 (WPE15%) 类似的 WPE [134, 135]。为此，还应通过异质集成将激光二极管和高 Q 微谐振器之间的界面损耗降至最低 [59, 136]。
高效微梳可能对各个领域产生革命性影响。对于电信而言，接近 1 的微梳效率可以产生与激光阵列相当的电光功率转换效率。一旦效率提高到接近 1，下一个前沿就是在保持高整体 WPE 的同时增加每条梳线的功率，这可以确保即使在放大后也能保持相当大的光信噪比。此外，微梳明确定义的通道间隔将消除通常需要单个激光器的复杂温度控制系统的需要，从而显著降低总功耗。因此，我们预计在未来十年内，微梳将集成到提供多通道波长访问的光学模块中。这一预期得到了每秒千万亿比特通信 [43] 和与硅光子学 [49, 137] 兼容性的证明。
将微梳的光谱范围扩展到近红外波段之外，具有实现各种光谱应用的巨大潜力。特别是，可见波长梳在寻找系外行星方面发挥着关键作用，因为它们有助于校准类太阳恒星光谱中的多普勒频移 [138]。另一方面，分子指纹识别主要集中在中红外光谱窗口 [139]。然而，可见光和中红外波长的集成激光技术仍在发展中，目前提供的功率低于电信波段的功率。因此，高效微梳对于满足高功率泵浦激光器的需求至关重要。通过降低功率要求，我们可以促进在这些波长上实现宽带光学频率梳，为广泛的跨学科研究提供紧凑的光谱工具 [140,141,142,143,144]。
目前，依赖于光谱展宽微梳 [145] 或多个锁相微梳的微波到光学链路相当复杂 [37, 40, 146]。这凸显了对可以轻松自参考的倍频程跨度微梳的需求，从而简化系统并确保检测载波包络偏移频率。此类设备将产生大约 10,000 条梳状线，用于自参考的梳状线必须具有足够的功率，以实现载波包络偏移频率的可靠信噪比。我们注意到，微谐振器的设计应经过精心优化，以支持宽带微梳，同时考虑到窄带微梳中经常被忽视的许多效应。例如，使用高阶色散来补偿拉曼效应可以扩展微梳的潜在带宽 [16, 147]。此外，现有文献中报道的高效率是在优化的操作条件下实现的，值得进一步研究它们在更宽光谱范围内的适用性。最终的解决方案可能涉及实施高效微梳的协议组合，包括以参数或脉冲方式泵送耦合谐振器。
微梳不断发展，提高其效率、相干性、操作简便性和其他关键方面，逐渐接近现有台式 OFC 的水平。目前，大多数 OFC 仅在研究实验室中可用。然而，在未来十年内，这项宝贵的技术应该在尺寸、重量、功耗和成本方面变得与半导体激光器一样容易获得。我们热切期待微梳技术的长期影响，包括其加速互联网通信、提高导航精度和测试基础物理的潜力。
