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我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在微腔光學(xué)頻率梳的研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)董春華教授及合作者鄒長(zhǎng)鈴等人提出一種普適的微腔色散調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了光頻梳中心頻率和重復(fù)頻率的實(shí)時(shí)獨(dú)立調(diào)控，并應(yīng)用于光學(xué)波長(zhǎng)的精密測(cè)量，將波長(zhǎng)的測(cè)量精度提升到kHz量級(jí)。相關(guān)研究成果1月12日發(fā)表在Nature Communications上。

近年來(lái)，基于光學(xué)微腔的孤子微梳在精密光譜學(xué)、光鐘、微波光子學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域引起了極大的研究興趣。然而，由于環(huán)境和激光噪聲以及微腔中額外非線性效應(yīng)的影響，孤子微梳的穩(wěn)定性受到了很大的限制，這成為微光梳在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)主要障礙。在之前的工作中，科學(xué)家們通過(guò)控制材料的折射率或者微腔的幾何尺寸以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋，從而穩(wěn)定并調(diào)控光頻梳，這種方法會(huì)引起微腔內(nèi)所有共振模式同時(shí)近乎均勻的變化，缺乏獨(dú)立調(diào)控梳齒頻率和重復(fù)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(xué)測(cè)距等實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)于光頻梳中心頻率和重復(fù)頻率的獨(dú)立實(shí)時(shí)調(diào)控。通過(guò)引入兩種不同的微腔色散調(diào)控手段，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)ξ⑶徊煌A次的色散進(jìn)行獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)光頻梳不同梳齒頻率的全部控制。這種色散調(diào)控機(jī)制對(duì)于目前廣泛研究的氮化硅、鈮酸鋰等不同的集成光子平臺(tái)都是普適的。

在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)利用泵浦激光和輔助激光分別獨(dú)立控制微腔不同階次的空間模式實(shí)現(xiàn)了泵浦模式頻率的自適應(yīng)穩(wěn)定和頻梳重復(fù)頻率的獨(dú)立調(diào)控。基于該光頻梳，研究團(tuán)隊(duì)演示了對(duì)于任意梳齒頻率的快速、可編程的調(diào)控，并將其應(yīng)用于波長(zhǎng)的精密測(cè)量中，展示了具有kHz量級(jí)測(cè)量精度和多波長(zhǎng)同時(shí)測(cè)量能力的波長(zhǎng)計(jì)。相比于之前的研究成果，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度達(dá)到了三個(gè)量級(jí)的提高。本研究成果所展示的可重構(gòu)的孤子微梳為實(shí)現(xiàn)低成本、芯片集成的光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，將在精密測(cè)量、光鐘、光譜學(xué)及通信等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

（a-c）可重構(gòu)微腔光頻梳原理示意圖。 (d)波長(zhǎng)計(jì)的性能演示。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后牛睿、特任副研究員李明為論文共同第一作者，董春華教授、鄒長(zhǎng)鈴教授為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

附論文鏈接：

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kHz-precision wavemeter based on reconfigurable microsoliton

Rui Niu, Ming Li, Shuai Wan, Yu Robert Sun, Shui-Ming Hu, Chang-Ling Zou, Guang-Can Guo & Chun-Hua Dong

Nature Communications volume 14, Article number: 169 (2023)

DOI：10.1038/s41467-022-35728-x

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）