基于微諧振腔的克爾光頻梳具有大帶寬、低噪聲、高重頻、小尺寸的優勢，近年來被廣泛應用于相干光通訊、激光雷達、光鐘以及頻率合成等研究領域，并有望為上述領域帶來革命性的技術突破。

諧振腔的群速度色散是決定克爾光頻梳動態過程的一個關鍵因素，當群速度色散為反常色散時，克爾光頻梳能夠形成“亮孤子”鎖模，而當群速度色散為正常色散時，克爾光頻梳能夠形成“暗孤子”鎖模。

近年來，國內外研究團隊將研究重點聚焦于近零色散的微腔光頻梳的非線性動力學研究，該方案能夠進一步拓展微腔光頻梳的光譜覆蓋范圍，這對促進微腔光頻梳的應用至關重要。然而，在近零色散區域，由于群速度色散幾乎消失，微腔的高階色散將主導腔內光頻梳的演化過程，從而影響了光頻梳在鎖模狀態下的穩定性以及光場分布。基于近零色散微腔的克爾光頻梳研究有望為倍頻程、鎖模光頻梳產生提供了一條可行的技術路線。

近日，上海交通大學吳侃教授課題組聯合電子科技大學姚佰承教授，在基于高非線性光纖的法布里-珀羅（FP）微諧振腔中，探索了在近零反常色散區域克爾光頻梳的動態演化過程。

該工作在沒有任何外部非線性光譜展寬的條件下，在諧振腔調制不穩定態獲得了頻率間隔約為10 GHz、光譜寬度超過2/3倍頻程的光頻梳。此外，還首次在近零反常色散區域觀察到了一種新型的克爾光孤子結構，并將其稱為“基于反常色散的近零色散孤子（AD-NZDS）”。該孤子結構局部的脈沖重復頻率高達8.6 THz，單個脈沖持續時間<100 fs。

這項工作完善了克爾光頻梳在近零色散區域的動力學研究，并能激發近零色散克爾光頻梳在光計算、光傳感、以及光相干層析成像中的應用。

該研究成果以“Near-zero-dispersion soliton and broadband modulational instability Kerr microcombs in anomalous dispersion”為題在線發表在Light: Science & Applications。

與其他微諧振腔平臺相比，光纖FP微諧振器具有易耦合、低損耗、模式分布簡單以及色散控制成熟的優點。實驗中所用光纖FP微腔的照片如圖1(b)所示，其腔長約為1cm，自由光譜范圍（FSR）為10.41506 GHz，在1550 nm處的Q值為1.3×10?。

該光纖FP微腔的非線性系數相比于單模光纖高一個數量級，而群速度色散相比于單模光梳小一個數量級，非常適合近零色散光頻梳的研究。實驗裝置如圖1(a)所示，光纖FP微腔由脈沖泵浦方案驅動，泵浦脈沖的重復頻率可以由加載在強度和相位調制器上的射頻信號精確控制。

實驗采用的泵浦脈沖波形分布如圖1(c)所示，經過擬合后獲得的脈沖持續時間為2.1 ps。

圖1：高Q值光纖FP微腔產生近零色散光頻梳。（a）實驗裝置圖。（b）光纖FP微腔照片。（c）泵浦光脈沖波形。

由于所用光纖FP微腔具有近零平坦的色散分布，在腔外脈沖泵浦的驅動下獲得了帶寬超過2/3倍頻程的調制不穩定態光頻梳。

如圖2(a)所示，調制不穩定態光頻梳光譜覆蓋范圍為1240 nm到1950 nm，光梳模式間距約為10 GHz，相應的光梳數量超過8400根。

圖2(b)展示了FP微腔兩端高反膜的透射譜測試結果，用于和圖2(a)中光譜進行對比。從圖中可以看出，調制不穩定態光頻梳兩端的高功率包絡與反射膜透射峰（由T1-T5標記）頻率位置一致，說明腔內光場從反射膜透射峰泄露出來，從而形成了超寬光譜的微腔光頻梳。

圖2：寬譜調制不穩定態光頻梳產生。（a）寬譜調制不穩定態光頻梳。（b）光纖FP微腔反射膜傳輸譜。

根據近零色散孤子中綁定脈沖的數量n（n為正整數），我們將它們定義為NZDS???。

圖3(a)展示了NZDS?12?1o?的光譜分布，而圖3(b)展示了通過數值仿真所還原的NZDS?12?1o?的時域波形分布。

圖3：近零色散光孤子產生。(a）近零色散光孤子光譜分布。(b）光譜對應的時域波形仿真。

從圖中可以看出近零色散孤子是由一系列相互綁定的單脈沖組成，脈沖間具有相同的時間間隔。近零色散孤子中綁定脈沖的數量為區分不同NZDS???的階數提供了一個顯著特征。此外，NZDS???的階數還可以通過光譜的相干周期性包絡的數量來判定。

從實驗和仿真結果可以看出，近零色散孤子具有形成密集孤子簇的優勢。例如，在NZDS?12?狀態下，孤子簇的局部重復頻率高達8.6 THz，而單個脈寬小于100 fs。近零色散孤子這種獨特的時域波形結構將拓展克爾光頻梳在光學計算、信號處理和傳感方面的應用潛力。

由于腔內熱效應引入的擾動，阻礙了實驗中低階近零色散孤子的直接產生。為了使得腔內光場穩定在低階的近零色散孤子態，在實驗中進一步使用了熱輔助激光器泵浦方案[Light: Science & Applications 8, 50 (2019);]緩解腔內功率變化引入的擾動。

圖4(a)展示了NZDS?2?態的光譜分布，而圖4(b)展示了NZDS?3?態的光譜分布，在光譜中能夠觀察到明顯的色散波包絡[Science 351, 357 (2016)]。

圖4：基于輔助激光器方案的低階近零色散孤子產生。(a）二階近零色散孤子光譜分布。(b）三階近零色散孤子光譜分布。

實驗中獲得的近零色散孤子光譜寬度大于32 THz，包含了3200根以上的相干光頻梳。低階近零色散孤子的實驗驗證豐富了近零色散孤子的理論基礎，有助于進一步拓展近零色散孤子的應用。

總結與展望

該工作基于高Q值光纖FP微諧振腔探究了近零反常色散區域的微腔克爾光頻梳的動態演化過程，實現了超寬光譜的調制不穩定態光頻梳，并首次發現了基于反常色散的近零色散光孤子。

這兩種不同的微腔光梳狀態有各自的優勢：寬譜調制不穩定態光頻梳擁有高轉換效率、寬光譜和梳齒數量多的優勢，而近零色散孤子態則表現出更低的相位噪聲和超高的局部時域重頻。

這項工作為克爾微腔光頻梳在近零色散區域的非線性動力學研究提供了一個全新視角，并且根據應用場景需求提出了一種靈活選擇微腔光頻梳工作狀態的策略。

| 論文信息 |

iao, Z., Li, T., Cai, M. et al. Near-zero-dispersion soliton and broadband modulational instability Kerr microcombs in anomalous dispersion. Light Sci Appl 12, 33 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01076-8

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