薄膜鈮酸鋰讓科學家展示跨八度孤子頻率梳

光學頻率梳的發明給頻率計量學和計時帶來了革命性的改變。

這種頻率梳被微型化到光子芯片上，主要藉助微諧振器克爾孤子頻率梳，爲超快光譜學、激光頻率同步以及穩定的光學、毫米波和微波頻率生成提供了便攜式解決方案，從而拓展了這些功能。

對於許多這類應用而言，需要低噪聲的孤子頻率梳，但是孤子重複率和載波包絡偏移的穩定通常需要諸如倍頻和電光分頻之類複雜的片外設備。

超低損耗薄膜鈮酸鋰光子平臺具有強大的電光效應和高效的二次諧波生成能力，有望搭載由片上組件完全穩定的集成頻率梳。然而，適用於由集成電光調製器和週期性極化波導進行穩定的全連接頻譜的倍頻程孤子尚未得到證實。

這在一定程度上是因爲鈮酸鋰微諧振器呈現出低閾值拉曼激光現象

這是一種與克爾效應相競爭的非線性過程，從而引發了參量振盪和鎖模孤子態

需要精確的指導原則來抑制鈮酸鋰微諧振器中的拉曼激光現象，這不僅能夠實現倍頻程孤子源，而且有助於其芯片級穩定以及可靠地集成到大規模光子系統中。

“薄膜鈮酸鋰已被證實是一種應用於光子學的極具優勢的材料，”哈佛大學量子科學與工程專業的博士生 Yunxiang Song 說。“所以，我們的目標是在這個平臺上對孤子微梳的產生形成一個全面的認識，這樣它們就可以與其成熟的主動調製和頻率轉換能力結合使用，最終用於構建更好的集成梳狀光源。”

在發表於《光：科學與應用》的一篇新論文中，由哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的馬爾科·隆查爾教授和楊基尤爾教授領導的一組科學家，在朝着此目標邁進的過程中取得了進展。他們於薄膜鈮酸鋰光子平臺上展示出了跨八度的克爾孤子頻率梳。

他們還基於針對微諧振器模式間距和耗散分佈的工程設計確立了設計規則，始終抑制拉曼激光，以支持孤子頻率梳的生成。具體而言，當微諧振器模式間距大於拉曼增益帶寬時，他們展示出了一個從 131 到 263 THz 的跨八度孤子。

更妙的是，當通過滑輪式耦合來增加拉曼激光模式附近的耗散時，他們在製造不同設計（涵蓋各種色散及諧振器尺寸）的支持孤子的微諧振器方面，取得了超過 88%的成功率，並且還展示了一個從 126 到 252 太赫茲的跨八度孤子，沒有頻譜間隙。

所報道的拉曼抑制方法或許會加快薄膜鈮酸鋰上孤子頻率梳的未來發展進程，並能夠在其他新興電光晶體材料（比如薄膜鉭酸鋰）中直接生成非線性頻率梳，預計在這些材料中干擾性的拉曼激光將發揮作用。此外，完全連接且跨八度的孤子狀態或許會開啓系統級的演示，例如光頻率合成和梳狀參考激光光譜學。

該團隊認爲：“儘管仍處於早期階段，但八度跨度的孤子頻率梳的可靠的製造工藝展現出基於薄膜鈮酸鋰來開發單片式和緊湊型梳驅動光子系統的潛力。”