南京大學(xué)介電超晶格實(shí)驗(yàn)室的謝臻達(dá)教授課題組與美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校黃書(shū)偉教授合作在克爾微腔光頻梳研究中取得重要突破，首次獲得"光子飛輪"級(jí)別的耗散克爾光孤子光梳，具有亞飛秒的時(shí)間抖動(dòng)(995 as)和超低相位噪聲(-180 dBc/Hz@1 GHz載頻)，創(chuàng)造了目前微腔光頻梳中的最好紀(jì)錄，為高精度超小型"光鐘"研制提供了一種關(guān)鍵備選元器件。相關(guān)工作以"編輯推薦"方式發(fā)表在物理學(xué)旗艦刊物物理評(píng)論快報(bào)(PRL)上。

　　"光子飛輪"概念首先由光頻梳研究先驅(qū)、漢堡大學(xué)Franz X. Kärtner教授提出，類(lèi)比于機(jī)械飛輪，采用光學(xué)方法產(chǎn)生高重復(fù)性和低抖動(dòng)的周期性信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)目前人類(lèi)所能達(dá)到的最精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，因而微波光子學(xué)、精確授時(shí)、遙感定位等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。"光子飛輪"已經(jīng)可以在基于飛秒鎖模激光器的光頻梳中實(shí)現(xiàn)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積重量較大、受環(huán)境影響大，通常只能在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)轉(zhuǎn)，且重復(fù)頻率通常限制在1GHz以下。而光學(xué)微腔中的克爾孤子光梳可以大大縮小系統(tǒng)的體積、提升環(huán)境適應(yīng)性，有望實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可部署器件。然而片上光學(xué)微腔的量子噪聲極限較高，且噪聲水平進(jìn)一步受到泵浦激光器噪聲和光孤子熱穩(wěn)定性限制，現(xiàn)有的相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)水平無(wú)法達(dá)到"光子飛輪"級(jí)別。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，南京大學(xué)和科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用機(jī)械拋光和光學(xué)鍍膜的方法，制備了具有高品質(zhì)因子(Q)的法布里珀羅光纖微腔，Q值可達(dá)3.4 × 107。研究人員創(chuàng)造性地提出了“兩步泵浦”的新機(jī)制(由圖1所示)，即利用光纖微腔內(nèi)腔增強(qiáng)的交叉偏振受激布里淵激光(SBL)間接泵浦產(chǎn)生光孤子光頻梳。通過(guò)兩步泵浦，該光頻梳的噪聲可以突破泵浦激光的噪聲限制，通過(guò)外力可調(diào)的應(yīng)力致雙折射可以調(diào)控孤子狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定孤子產(chǎn)生，因而該光梳可以逼近光纖微腔本身較低的量子噪聲極限。自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的微腔光頻梳噪聲水平已接近飛秒鎖模激光器，時(shí)間抖動(dòng)可以低于一個(gè)光學(xué)周期，達(dá)到了“光子飛輪”級(jí)別。

　　此外，光纖微腔的的加工不受光學(xué)芯片微加工工藝的尺寸限制，容易通過(guò)腔長(zhǎng)的精確控制，使重復(fù)頻率(frep)覆蓋迫切需求的1 GHz到20 GHz的微波波段。并且光纖微腔可以很方便地與光通信產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的光纖器件直接插接耦合，形成全光纖系統(tǒng)，提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)定性。