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。

圖1.基于光纖微腔和"兩步泵浦"法產(chǎn)生"光子飛輪"級(jí)別的光孤子光梳

圖2(a)展示了"兩步泵浦"法產(chǎn)生光孤子光梳的實(shí)驗(yàn)裝置和基本原理，在連續(xù)波泵浦光驅(qū)動(dòng)下，光纖腔內(nèi)產(chǎn)生了布里源激光，進(jìn)而激發(fā)了以布里淵激光為中心的光孤子光梳，該光梳具有平滑的光譜和長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的被動(dòng)穩(wěn)定性。

圖2 (a)"兩步泵浦"法示意圖。泵浦光位于光纖腔其中一個(gè)偏振模式共振峰的藍(lán)失諧側(cè)，用以維持光纖腔熱穩(wěn)定，被動(dòng)穩(wěn)定性可達(dá)數(shù)小時(shí)；所激發(fā)的布里淵激光位于另一偏振模式的紅失諧側(cè)，用以激發(fā)光孤子光梳。(b)泵浦激光和光孤子光頻梳線寬測(cè)量相干包絡(luò)和擬合結(jié)果。相較于泵浦光，布里淵激光產(chǎn)生的光孤子光梳線寬降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，僅為22 Hz，表明該光梳具有較強(qiáng)的相干性。(c)相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果。該光孤子光梳在10 kHz以上的相位噪聲已接近量子噪聲極限，具有亞光學(xué)周期的時(shí)間抖動(dòng)，在1 MHz以上相位噪聲低至-180 dBc/Hz。

圖2(b)和(c)分別展示了該光孤子光梳線寬、相位噪聲/時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果。結(jié)果顯示，得益于光纖法布里珀羅光纖腔較低的量子噪聲極限和布里淵激光線寬壓窄效應(yīng)，"兩步泵浦"過(guò)程可以產(chǎn)生微腔克爾光頻梳中前所未有的低時(shí)間抖動(dòng)，作為一種緊湊小巧的"光子飛輪"有望實(shí)現(xiàn)可以現(xiàn)場(chǎng)部署的高精度時(shí)間基準(zhǔn)。

該工作以"Photonic Flywheel in a Monolithic Fiber Resonator"為題發(fā)表在《Physical Review Letters》上。南京大學(xué)博士生賈琨鵬和汪小涵為該項(xiàng)成果的共同第一作者，南京大學(xué)的謝臻達(dá)教授和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的黃書(shū)偉教授為共同通訊作者，祝世寧院士對(duì)該研究提出了許多重要指導(dǎo)意見(jiàn)。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFA0705000, 2017YFA0303700）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51890861, 11690031, 11621091, 11674169）、江蘇省自然科學(xué)基金前沿技術(shù)項(xiàng)目（BK20192001）和廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018B030329001）的資助。

相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.143902