利用可重構微型光頻梳實現千赫茲精度波長計

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中國科學技術大學郭光燦院士團隊在微腔光學頻率梳方面的研究取得重要進展。該團隊董春華教授及合作者鄒長鈴教授等人提出一種普適的微腔色散調控機制，實現了光頻梳中心頻率和重復頻率的實時獨立調控，并應用于光學波長的精密測量，將波長的測量精度提升到千赫茲量級。相關研究成果1月12日發表于《自然-通訊》。

（a-c）可重構微腔光頻梳原理示意圖。 (d)波長計的性能演示 中國科大供圖

近年來，基于光學微腔的孤子微梳在精密光譜學、光鐘、微波光子學、天文學等領域引起了極大的研究興趣。然而，由于環境和激光噪聲以及微腔中額外非線性效應的影響，孤子微梳的穩定性受到了很大的限制，這成為微光梳在實際應用中的一個主要障礙。在之前的工作中，科學家們通過控制材料的折射率或者微腔的幾何尺寸以實現實時反饋，從而穩定并調控光頻梳，這種方法會引起微腔內所有共振模式同時近乎均勻的變化，缺乏獨立調控梳齒頻率和重復頻率的能力，這大大限制了微光梳在精密光譜、微波光子、光學測距等實際場景中的應用。

針對這一難題，研究團隊提出了一種新的物理機制實現了對于光頻梳中心頻率和重復頻率的獨立實時調控。通過引入兩種不同的微腔色散調控手段，該團隊能夠對微腔不同階次的色散進行獨立控制，從而實現光頻梳不同梳齒頻率的全部控制。這種色散調控機制對于目前廣泛研究的氮化硅、鈮酸鋰等不同的集成光子平臺都是普適的。

在實驗中，該團隊利用泵浦激光和輔助激光分別獨立控制微腔不同階次的空間模式實現了泵浦模式頻率的自適應穩定和頻梳重復頻率的獨立調控。基于該光頻梳，研究團隊演示了對于任意梳齒頻率的快速、可編程的調控，并將其應用于波長的精密測量中，展示了具有千赫茲量級測量精度和多波長同時測量能力的波長計。相比之前的研究成果，研究團隊實現的測量精度提高了三個量級。研究成果所展示的可重構的孤子微梳為實現低成本、芯片集成的光學頻率標準奠定了基礎，將在精密測量、光鐘、光譜學及通信等領域得到應用。