北京
在集成光子学与光频梳研究领域，克尔孤子微梳因其紧凑结构和优异相干性成为新一代光频梳的核心技术，在精密光谱、光原子钟、低噪声微波合成等领域展现革命性潜力。然而，降低阈值功率所需的高品质因子通常依赖增加光学微腔的横截面积来降低散射损耗。此时，微腔不可避免支持更多的光学模式家族，而这些光学模式家族间由于边界不规则或界面粗糙引起的强耦合会导致模式反交叉(avoided mode crossings)，并严重制约孤子光谱均匀性和稳定性，长期阻碍其实际应用。
近日，来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心李贝贝研究组和北京航空航天大学、北京大学的联合团队在《Photonics Research》发表创新成果，提出一种回音壁模式微腔的普适性光谱纯化技术，成功实现超高Q值(Quality factor)的少模式光学微腔，并生成无色散波的理想孤子微梳，为高Q值光学微腔在高维量子光源与精密测量系统等应用方面提供器件制备的新思路。
研究团队创新性地在二氧化硅微盘腔(图1a)的顶部沉积金属环，通过精准控制金属环与微盘边缘的距离(d)，选择性增加高阶光学模式的损耗，从而有效抑制高阶模式，减小二氧化硅微盘腔中的模式密度。团队开发了可应用于批量制备的光刻-湿法刻蚀工艺，通过优化铝环-楔形间距
，金属修饰的微腔实现三个方面的提升：1.模式密度锐减：一个自由光谱范围（25 GHz）内模式数从>30降至6；2.超高Q：基模本征 Q 值仍超10 8 ；3.孤子光谱纯化：消除了由于模式反交叉引起的色散波，获得完美Sech²包络的孤子频梳光谱(图1c-ii所示)。另外研究团队对金属修饰微腔中产生的孤子光频梳拍频微波信号进行相位噪声表征，在25 GHz载波频率下，生成了10 kHz频率偏移处-125 dBc/Hz的低相噪微波源。另外由于金属修饰的微腔中光学模式密度减小，在调节泵浦波长时由于光热作用导致模式跳变概率降低，展现出更好的孤子光梳调谐性能，同时也提高了孤子光梳的重频噪声性能，可以保证高频微波在载波频率调谐的过程中噪声性能维持统一。本工作可以同时实现高品质因子和低模式密度，为集成光量子系统(如多模压缩态制备)提供了理想的平台，其普适性设计将推动高维量子光源与精密测量系统的实用化进程。本工作受到了国家自然科学基金项目、科技创新2030、国家重点研发计划、中国科学院从0到1、中国科学院基础研究青年团队等项目的资助。中国科学院物理研究所李贝贝研究员、北京大学杨起帆研究员为共同通讯作者，中国科学院物理研究所博士生周昕、李金城为共同第一作者，合作者还包括来自北京航空航天大学的肖志松教授和张浩副教授。相关成果于2025年10月31日以“Universal spectral purification of ultrahigh-Q microresonators for ideal soliton microcombs”为题发表于Photonics Research。
图1. 金属修饰的二氧化硅微盘腔光场特性、SEM图像、生成的孤子光频梳 (a) 金属修饰的二氧化硅微盘腔示意图，插图为微盘腔横截面中基模与高阶模式的光场分布，以及有无金属情况下对应模式线宽对比。d代表金属环与与楔角上边缘之间的间隙。(b)金属修饰微腔的电子显微镜图像，黄色条带部分为修饰用的金属圆环。(c)不同微腔中产生的孤子光频梳光谱。 I为未经过金属修饰的微腔产生的孤子光频梳，ii为经过金属修饰的微腔产生的孤子光频梳。
编辑：LogicMoriaty
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