在共振耦合微腔中实现的节能超宽带孤子微梳

芯片上的光：面向日常技术的应用

从类GPS的高精度计时到超高速互联网链路以及寻找行星的望远镜，许多前沿工具都依赖于将激光光分解成数千个等间距颜色（称为频率梳）的装置。如今这些梳通常体积庞大且耗电较高。本文展示了如何将它们缩小到芯片上，同时大幅降低所需功率——通过一种巧妙的方式将光耦入微小的环形结构。其结果是一类节能的“微梳”，有望使高精度光学技术更实用、更便携。

在更少功率下做更多工作的挑战

片上频率梳由连续激光照入微观环形谐振腔产生：环内困住的光会演化为在环中循环的短脉冲。在频谱上，这些脉冲呈现为等间距的颜色梳，可作为频率测量的尺子或多个独立的数据通道。设计者希望同时满足三点：非常宽的频带、非常密的谱线间隔（便于电子设备读取间隔）以及每条谱线有足够的功率。但在标准设计中，当激光功率受限时，这三者无法同时最大化。追求更宽的跨度或更细的间隔会迅速将所需泵浦功率推高，超过紧凑型片上激光器的合理输出。

一种新的环耦入方式

为打破这一功率瓶颈，作者在输入波导和实际产生梳的主非线性环之间插入了第二个环——称为共振耦合环。激光不是直接注入主环，而是先在耦合环内建立起来，然后将集中的能量传递给产生梳的主环。通过精心选择两环之间的耦合强度和它们的损耗速率，团队能够将主环内的有效功率相比通过简单波导直接输入的情况提升约一百倍。这个共振传递使系统达到以前对集成梳而言不可及的工作条件。

用相同激光得到更宽的梳

研究人员在标准晶圆上制造的氮化硅环中，将新型共振耦合设计与具有相同几何和品质因子的传统单环结构进行了比较。在相似的泵浦功率下，普通设计只能产生若干百条有用谱线的中等宽度梳。加入耦合环后，梳显著变宽：有用谱线的范围扩大了三倍，达到近一微米的光学带宽，而高于适度功率水平的谱线数从数百跃升到八百多条。更重要的是，在没有耦合环的情况下要实现相同性能，所需的激光功率将高出数倍——按他们的估计最多约十倍——凸显了该方案对每毫瓦功率的高效利用。

在芯片上实现整个倍频程

随后，团队调整主环的几何形状以减少不同颜色光的固有速度色散，这一特性有助于支持更宽的梳。在这种配置下，他们的共振供能环产生的梳跨越了整个倍频程，意味着最高频率至少是最低频率的两倍。他们在微波和毫米波范围的重复率下实现这一点，这些范围内的谱线间隔可被标准电子设备直接读取。关键是，他们以比早期连续波设计低数百倍的泵浦功率，达到了同类谱线间隔下的宽带且适合电子读取的梳。

使用片上激光实现一键启动操作

为展示实际可行性，作者使用一台紧凑的片上半导体激光器驱动耦合环梳，该激光器仅输出约20毫瓦的光功率。来自环的反射轻微反馈回激光器，这一过程称为自注入锁定，可自然地压窄激光的频谱并将系统引导到稳定的单脉冲状态。借助这种简单的布置且无需外部光学隔离器，该器件能多次可靠地启动所需梳，产生超过170条强谱线和仅几十飞秒的超短脉冲——在此重复率和如此小功率激光源条件下，这些是报道中最宽的梳之一。

这对未来器件意味着什么

通过展示一个智能的“预放大”环可以显著降低获得宽带且细间隔梳所需的激光功率，这项工作消除了将精密光学工具放入便携、鲁棒封装的关键障碍。相同概念可使片上光学时钟、海量并行数据链路以及用于天文学、传感和医学的紧凑光谱仪成为可能，且无需依赖笨重、高功率的激光系统。简言之，作者找到了一种让芯片上的光更高效工作的方式，为那些曾只在大型物理实验室实现的精确光学定时与测量打开了走进日常设备的大门。

引用: Zhu, K., Luo, X., Wang, Y. et al. Power-efficient ultra-broadband soliton microcombs in resonantly-coupled microresonators. Light Sci Appl 15, 185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02186-9

关键词: 光学频率梳, 微腔, 氮化硅光子学, 低功耗集成光学, 片上光学时钟