编者按

eLight聚焦光频梳，邀请如下顶尖专家：

资深院士：中国科学院雄安创新研究院祝宁华院士，南京大学祝世宁院士，中国科学技术大学郭光灿 院士，美国加州大学洛杉矶分校 Chee Wei Wong院士，美国加州理工学院Kerry Vahala院士。

青年先锋：北京大学杨起帆教授、胡耀文教授，电子科技大学姚佰承教授、周恒教授、周强教授，中国科学院雄安创新研究院王文亭研究员、南京大学谢臻达教授，查尔姆斯理工大学Victor Torres-Company。

于10月10日在卓越计划高起点新刊eLight同步刊发两篇重磅邀请综述：“高效率光梳”和“微腔光梳革新信息技术”。

本篇文章重点介绍“微腔光梳革新信息技术”综述的主要内容。

导读

自2005年获得诺贝尔物理学奖，光频梳已成为一种在信息科学领域广受重视的新型光源，独特的时频特性，即：频域上输出等间隔的激光梳齿（像梳子一样），时域上表现为超快的脉冲。这让光频梳在诸多领域中展现出突出的应用潜力，包括光子微波产生，光子时频传递，波分复用通信和高精度测量与感知等等。20世纪90年代以来，光频梳技术不断向小型化、集成化发展，从复杂昂贵的大装置演化为芯片级的小器件。最近10年，微腔光子学的发展，进一步为光频梳技术开拓了新天地，引发了新的物理探索和工程方案。当前，微腔光梳已成为跨越经典和量子科学的一种重要光学工具。

近日，来自中国和美国的多位光频梳领域的青年专家和资深专家（电子科技大学 姚佰承 教授、周恒 教授、周强 教授；中国科学院雄安创新研究院 王文亭 研究员、祝宁华 院士；南京大学 谢臻达 教授、祝世宁 院士；中国科学技术大学 郭光灿 院士；美国加州大学洛杉矶分校 Chee Wei Wong院士），共同在eLight上发表题为“Interdisciplinary advances in microcombs: bridging physics and information technology”的研究综述，深度探讨了微腔光频梳技术的新进展，重点总结了各类型微腔光频梳的结构平台，产生和控制机制，以及前沿应用，并对其未来的发展趋势和科学挑战提出了展望。

图1：丰富的微腔光频梳平台和应用

一、微腔光频梳的产生和调控

作为微尺度光源器件，微腔光频梳的激发主要依赖于微腔的非线性系数，色散，损耗等核心参数，因此微腔的材料和结构平台是研究的首要考虑。科学家们基于物性特征，近年来发展了丰富多彩的微腔体系，用于光梳激发，包括石英、氮硅、碳硅、钻石、三五族化合物、铌酸锂、有机物和钙钛矿、二维复合材料等，并据此制备出以微盘、微球为代表的回音壁模式微腔，以光纤F-P为代表的线性微腔和利于CMOS加工的片上微环等。如图2所示。

图2：用于光梳激发的材料和微腔结构

在丰富的平台上，采用不同的激发方案，能产生不同物理特性的光频梳。最常用的微腔光频梳产生机制是基于三阶非线性的四波混频和基于稀土的激光增益，进而利用腔内的“增益-损耗”、“调制-色散”双平衡，实现孤子状态的稳定输出。近年来，在新型材料和结构中，二阶非线性效应、参量非线性散射和强增强电光调制等新方法也被发掘出来，并发展出多机制混合使用的新方案，达到“程控激发”、“启钥产生”等新效果，将微腔光梳的实用化水平不断推向新高，如图3所示。

图3：微腔光梳的产生机制

随着技术的发展，科学家们不止于探索微腔光频梳的激发，也专注于微腔光频梳的性能提升和调控增强，以满足不同的应用场景。有代表性的：利用色散平衡、色散波耦合和混沌辅助，能实现微腔光频梳的显著扩频；利用泵浦循环和腔内滤波，能实现微腔光频梳激发效率的大幅提升；利用对腔几何和材料的调控，采用机械、热光、电光等不同的操控方法，能实现对微腔光频梳的编码输出。如图4所示。

图4：微腔光梳的性能提升和调控增强

二、微腔光频梳在信息科学中的应用

综述依据微腔光频梳应用角色的不同，分为“信息载体”、“信息获取”和“信息处理”三个类别。

图5：微腔光梳用做信息载体（Information Carrier）

在信息获取方面，利用微腔光频梳大带宽、高相干的特点，可用于气相色谱分析，探知多参量的气体浓度，服务环境检测和生产安全；利用微腔光频梳快脉冲、强稳定的特点，可用于精密测距和激光雷达，服务飞航探测、智能驾驶等场景；利用微腔光频梳小型化、高分辨的特性，可用于点式和分布式光纤传感以及光学成像，服务生物医疗检测、海洋水听和能源勘探等。如图6所示。值得指出的是，在上述应用中，很多方案都用到了双光梳技术，其通过光学的拍频能迅速将光梳的频谱信息转化到电子域，支持更高速和更集成的解调。

图6：微腔光梳用做信息获取（Information Acquisition）

在信息处理方面，光频梳具有独特的大带宽优势和高度灵活的特点，能在光频支撑快速、精确、集成的进行多样化的信号交互和变换。具体的，利用光频梳的外差交互，能实现射频信号的高速并行处理，支持滤波、编码、整形等功能；利用光频梳的非线性交互，能实现不同信息的大范围频率转换，支持信道切换、多通道逻辑等功能；利用并行相干特点，能作为基准源，形成全光逻辑卷积等复杂运算。如图7所示。

图7：微腔光梳用做信息处理（Information Processing）

三、总结与展望

微腔光频梳技术经过20余年的发展，在研究人员不断努力的过程中，解决的科学和工程难题不计其数，这让微腔光频梳作为器件单元，已经逐渐走出了实验室，装载在各式各样的光通信、光感知、光计量和光信号处理系统中，并发挥出优势价值。

在未来，解决微腔光频梳的功率与效率、速度与谱密度、稳定性和可控性三大矛盾平衡，进一步提升微腔光频梳的综合性能，优化微腔光频梳器件的制备工艺和系统化能力，既是关键的科学挑战，也是重要的研究机遇。其中，当前最受全球科学家关注的要点为：如何更好的完成微腔光频梳的倍频程激发和自参考锁定，如何更实质的突破有源、无源介质和微腔、波导各单元的异质异构集成工艺，如何在长时可靠和灵活控制之间获得优化的解决方案，等等。相信在不断深化的跨学科交叉研究中，微腔光频梳在未来能启发出更多的科学思路，推动形成更多难以预研的变革性新应用。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00071-9