清華新聞網5月13日電 5月13日，清華大學電子工程系薛曉曉助理教授、鄭小平教授、周炳琨教授在《自然-光子》（Nature Photonics）雜志上在線發表了題為“雙耦合光學諧振腔中的超級效率時間孤子”（Super-efficient temporal solitons in mutually coupled optical cavities）的研究長文（Research Article）。該研究提出了一種顯著提高時間光孤子能量轉換效率的新方法，為實現片上集成的高效率克爾光學頻率梳指出了方向。

　　圖1. 片上集成克爾光學頻率梳及其波形、光譜示意圖

　　克爾光頻梳簡稱為克爾梳，它利用微型諧振腔中的非線性光學克爾效應，將單一頻率的激光轉變為包含大量等間隔頻率的寬帶光頻梳。在鎖模狀態下，光頻梳的各個頻率分量之間保持穩定的相位關系，在時域產生一個超短光脈沖序列，稱為時間光孤子（圖1）。相對于傳統的光頻梳光源，克爾梳具有體積小、脈沖重復頻率高等突出優點，被認為是一項變革性的技術。然而，克爾梳的能量轉換效率非常低，通常只能達到幾個百分點。極低的能量轉換效率成為阻礙克爾梳應用的一大瓶頸。薛曉曉課題組此前在《激光與光子學綜述》（Laser & Photonics Reviews）雜志上撰文，揭示了克爾梳的能量轉換效率與孤子脈沖的時域占空比之間的內在聯系，指出傳統的孤子態即使在完全沒有諧振腔損耗的理想情況下也難以達到高轉換效率，因此實現高效率的克爾梳需要另辟蹊徑。

　　圖2. 雙耦合光學諧振腔中的超級效率時間孤子。(A) 器件結構示意圖；(B) 工作原理；(C) 傳輸線RLC網絡類比。

　　在此次報道的研究中，課題組借鑒了經典微波傳輸線理論中的阻抗變換和匹配方法，提出了對激光能量進行回收再利用的雙諧振腔結構（圖2），并建立了一組完備的雙耦合非線性薛定諤方程，得出了其高效孤子解。在基于光纖環形腔的實驗中，課題組實現了接近100%的光能量回收再利用。實驗結果與理論分析精確吻合，打破了傳統單諧振腔克爾梳的效率瓶頸。高效率片上集成光頻梳預期將對小型化光原子鐘、微波光子學、大容量光通信、精密光譜測量等應用產生重要推動作用。

　　薛曉曉助理教授為論文的第一作者和通訊作者，清華大學為唯一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金重大項目、國家自然科學基金國際合作項目、北京市自然科學基金的資助。

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　　http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0436-0