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为解决短波长下正常色散和光学损耗增加导致的低泵浦功率短脉冲操作难题，研究人员基于超低损耗氮化硅（Si?N?）波导开展近可见光孤子微梳研究，实现 1550、1064、780 nm 波段低泵浦功率、可检测速率孤子微梳及 2/3 倍频程复用，填补集成自参考近可见光微梳空白。
光频梳作为 “光学频率尺”，在精密测量、生物医学等领域扮演关键角色。集成孤子微梳因紧凑性和可扩展性备受关注，但其向可见光及近可见光波段（如 780 nm 铷原子跃迁、698 nm 锶原子跃迁）的拓展面临严峻挑战：短波长下光子介质的正常色散和波导损耗显著增加，导致孤子锁模所需的反常色散调控困难，且微梳产生阈值功率常超实验室激光极限。此前仅有非集成二氧化硅楔形谐振器实现可检测重复率操作，但集成化可见光微梳始终空白，制约了原子参考微波生成、生物光谱分析等前沿应用。
为突破这一瓶颈，美国加州理工学院（California Institute of Technology）和加州大学圣巴巴拉分校（University of California Santa Barbara）等机构的研究团队，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的超低损耗氮化硅（Si?N?）波导平台，开展了近可见光集成孤子微梳的关键技术研究。相关成果发表于《Nature Communications》，为构建自参考可见光微梳系统奠定了基础。
研究采用的核心技术包括：
- 耦合跑道环谐振器设计：利用两个长度略有差异的耦合环形成对称和反对称超模，通过公式D2=D2,0+tan(gcoLco)2π?2D1调控二阶色散，在近红外至可见光波段（1550-532 nm）实现反常色散窗口设计。
- 超低损耗 Si?N?波导工艺：采用 100 nm（近红外）和 50 nm（可见光）厚度的 Si?N?层，结合 CMOS 铸造厂工艺，实现高达 4700 万（1550 nm）的本征 Q 因子，显著降低泵浦阈值。
- 脉冲对锁模技术：通过频率扫描泵浦激光，在耦合环中激发孤子脉冲对，利用模式耦合产生的周期性反常色散，实现短波长下的稳定锁模。
结果
1. 可见至红外波段色散工程
通过有限元法（FEM）仿真和宽带可调谐外腔二极管激光器（ECDL）测量，在 532-1550 nm 范围内设计并验证了反常色散窗口。例如，780 nm 器件通过莫尔加速效应（Moiré speed-up effect）实现色散宽带调谐，耦合环的本征 Q 因子随波长缩短略有下降（532 nm 为 140 万），但仍维持高光学品质，确保低泵浦功率下的孤子生成。
2. 151250、1064、780 nm 孤子微梳
在反常色散中心泵浦下，三个波段的微梳均实现低于 10 mW 的阈值功率，兼容商用分布式反馈（DFB）激光器。光谱分析显示，1550 nm 和 1064 nm 光谱中存在色散波（DW）和凯利边带（KS），电谱呈现高信噪比单频信号，证实稳定锁模。例如，780 nm 微梳通过 1560 nm 泵浦光倍频产生，其重复率可检测，为原子物理实验提供了紧凑光源。
3. 2/343 倍频程复用微梳
利用正交偏振泵浦（1064 nm TM 模和 1560 nm TE 模），在单个器件中实现双波长孤子复用。1064 nm TM 模因更大模式面积和 8000 万 Q 因子，泵浦效率更高；1560 nm TE 模覆盖近红外波段，两者结合实现从 1000 nm 至 1700 nm 的宽光谱覆盖，为中红外光谱学等多色应用提供新范式。
结论与讨论 56
该研究通过自适应色散工程和超低损耗 Si?N?平台，首次在集成器件中实现可见光至近红外波段的可检测速率孤子微梳，填补了自参考可见光微梳的技术空白。低泵浦功率特性（<10 mW）兼容商用激光器，为片上光频梳与半导体光源的混合集成铺平道路。此外，多色复用能力有望推动原子钟、生物成像（如荧光显微镜激发）、量子光学等领域的发展。未来，通过引入更高阶模式、更薄 Si?N?层或低损耗材料（如锗硅酸盐），微梳波长有望进一步向紫外延伸，开拓更广泛的科学与技术应用场景。该工作不仅突破了集成光子学的波段限制，也为精密测量与生物医学仪器的小型化提供了核心光源解决方案。
