近日，深圳国际量子研究院刘骏秋研究团队在芯片集成暗脉冲频梳操控和应用方面取得重要进展，建立了涵盖激光器-微谐振腔互耦、克尔非线性与光热效应协同作用的完备理论模型，从理论、数值与实验三方面研究了自注入锁定系统中暗脉冲微梳形成的动力学过程，揭示了该系统中新颖且普适的暗脉冲切换行为与噪声淬火现象，为高相干集成微梳的制备与调控提供了理论支持和实验手段。该研究成果以“Universal Kerr-thermal dynamics of self-injection-locked microresonator dark pulses”为题发表在 Physical Review Letters 期刊。
光学频率梳（简称光频梳）技术的发明为计时、光谱学、精密测量及基础物理验证等领域带来了革命性的进步。作为微型化的光频梳技术，基于微谐振腔的光频梳（简称“微梳”，microcomb）在过去十年间取得重大进展。微梳制备系统已能够在芯片上完全集成，其系统级应用已被实验室广泛验证，包括相干通信、天文光谱仪校准、测距与成像、频率合成、光学原子钟以及光子神经网络计算等应用。
然而，将微梳技术从实验室推向实际应用，仍面临诸多亟待解决的挑战。异质与混合集成技术的发展，以及激光器自注入锁定现象的发现，已实现了与CMOS制造工艺兼容的芯片级微梳，但具有优异相干性的特定微梳状态仍难以复现与调控。这一挑战的根源在于激光器-微谐振腔耦合系统中存在极为复杂的相互作用，包括激光器与微谐振腔的相互耦合与模式竞争，以及克尔非线性与光热效应在不同时间尺度上的协同作用。现有的线性自注入锁定理论虽然能够描述激光器与外部微谐振腔的线性耦合，但无法刻画和解释上述复杂的非线性动力学。而微梳技术的巨大应用潜力，唯有对这些复杂非线性物理过程实现深入理解与操控，方能在数据中心、空间平台及移动终端等场景中得到充分释放。
针对这一难题，研究团队利用半导体激光器与氮化硅（Si₃N₄）微谐振腔的混合集成，研究了自注入锁定效应下暗脉冲的非线性动力学过程（图1 a、b）。DFB（distributed feedback）激光器芯片由小型印刷电路板驱动，可输出波长为 1550 nm的连续激光，并通过端面耦合方式把激光耦合到氮化硅芯片波导中。当DFB激光频率调谐至氮化硅微谐振腔的共振模式时，激光进入微谐振腔中并在瑞利散射效应下返回DFB激光器内，从而引发激光的自注入锁定。此时，激光频率自主地锁定在微谐振腔的共振频率上，且激光频率噪声被显著地抑制。同时，由于光热效应，微谐振腔被激光加热导致其共振模式发生集体偏移。当腔内功率足够大时，克尔非线性将触发四波混频，促使光子能量转换到其他共振模式上。在具有正常群速度色散的微谐振腔中，自注入锁定与克尔效应的协同作用最终导致暗脉冲型微梳的产生（图1c所示）。
通过精准调控激光器与氮化硅微谐振腔之间的非线性相互作用，该工作首次观察到系统中普遍存在的暗脉冲形成及其离散的态切换行为（图1c）。为此，该工作建立了完备的理论模型，系统性地分析了激光器–微谐振器互耦合、克尔非线性与光热效应的协同机制。基于该模型的数值模拟揭示了与实验一致的离散暗脉冲状态。并且，实验中发现暗脉冲重频存在普遍的“噪声淬火”现象，即在每个离散暗脉冲状态中，该现象显示暗脉冲的重频对激光噪声不敏感，展现出超过 23.5 dB 的相位噪声抑制能力。通过高速光电探测器直接探测暗脉冲微梳，该系统可直接输出低相位噪声的微波信号。
图 1：a激光器-微谐振腔耦合系统中自注入锁定、克尔非线性和光热效应的原理及示意图。b实验装置图，包括印刷电路板（PCB）、DFB激光器芯片、Si₃N₄微谐振腔芯片和透镜光纤。c具有不同光谱特征和脉冲宽度的4种离散暗脉冲状态。
该工作从理论、数值与实验三方面探究了集成光子芯片中暗脉冲微梳形成的复杂克尔-热动力学过程，首次揭示了激光器-微谐振腔混合系统中普遍存在的暗脉冲形成与状态切换现象，以及独特的“噪声淬火”现象。该工作为激光器-微谐振腔混合系统中的暗脉冲形成机制提供了关键认知和调控手段, 同时为基于集成光子芯片的低相噪微波振荡器提供了简洁有效的解决方案，为先进无线通信、精密授时、深空导航、高精度雷达及高灵敏度天文探测等尖端领域的深入应用提供了理论与技术支持。
该工作第一作者为李世昌（深圳国际量子研究院与南方科技大学联合培养博士生）、余鲲鹏（深圳国际量子研究院与中国科学技术大学联合培养博士生）和Dmitry A. Chermoshentsev博士（俄罗斯量子中心助理教授），通讯作者为孙威副研究员和刘骏秋研究员。俄罗斯量子中心Igor A. Bilenko教授团队也为本工作作出重要贡献。该工作得到了基金委国际合作与交流项目、科技部2030、广东省以及深圳市的大力支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zlqs-yc51