自锁定宽带拉曼-电光微梳：多非线性协同实现宽带低噪声频率梳

研究人员针对集成光子学中光学频率梳(OFCs)带宽受限和噪声问题，通过协同电光(EO)、克尔(Kerr)和拉曼(Raman)非线性效应，在铌酸锂(LN)微谐振器中实现了自锁定宽带拉曼-电光微梳(REO microcomb)。该微梳覆盖300 nm光谱范围（1400条梳线），重复频率26.03 GHz，无需外部反馈即可实现低噪声运行，为通信、光谱学和量子信息处理提供了高性能集成光源。

　　

光学频率梳（OFCs）作为现代光子学的核心技术，在通信、精密测量和量子物理等领域发挥着重要作用。然而，传统基于锁模激光器的OFCs体积庞大，而集成光子学中的芯片级OFCs又面临带宽窄、噪声高等挑战。当前主流的微腔光频梳技术——如基于克尔非线性（Kerr）的耗散孤子（DKS）和电光（EO）频率梳——各有局限：DKS需要复杂的色散调控，EO梳则依赖微波功率且光谱较窄。更棘手的是，拉曼散射（Raman）等寄生效应常导致频率噪声，阻碍宽带低噪声微梳的实现。如何协同多种非线性效应突破这些限制，成为亟待解决的科学难题。

中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地利用铌酸锂（LN）微谐振器中电光、克尔和拉曼效应的协同作用，首次实现了自锁定宽带拉曼-电光微梳（REO microcomb）。该微梳光谱宽度超过300 nm（对应1400条梳线），重复频率26.03 GHz，且通过独特的自锁定机制实现了无外部反馈的低噪声运行。

研究团队采用三项关键技术：1）设计x切面薄膜铌酸锂（TFLN）跑道型微谐振器，通过电子束光刻和反应离子刻蚀制备350 nm深度的梯形波导；2）集成金调制电极实现高效电光耦合，微波调制频率精准匹配微腔自由光谱范围（FSR）；3）通过泵浦功率调控触发拉曼激光与EO梳的自适应锁相，利用四波混频（FWM）扩展光谱。

自锁定拉曼-电光微梳的机制
研究揭示了多非线性协同的物理机制：当泵浦功率超过拉曼阈值时，拉曼散射产生斯托克斯和反斯托克斯激光，其与主EO梳通过FWM形成频谱重叠。在重叠区，克尔非线性将频率差δ转移至拉曼增益区，生成与微波频率整数倍对齐的边带。通过调节微波频率（26.03 GHz附近）和泵浦功率，系统自发消除δ，实现拉曼梳与主EO梳的相位锁定（锁定范围达520 kHz）。这种内禀锁相机制突破了传统外反馈锁定的限制。

实验表征与性能
在150 mW泵浦功率和30 dBm微波驱动下，REO微梳展现出显著特性：1）光谱平坦度优异，1520-1540 nm区间斜率仅0.1 dB/nm，较传统EO梳提升10倍；2）通过马赫-曾德尔干涉仪（MZI）测得微腔二阶色散D₂/2π=3.92 kHz，支持宽谱生成；3）射频（RF）谱分析证实锁定状态下48 MHz拍频信号消失，验证全局相干性。

动态调谐特性
研究还揭示了独特的调谐能力：1）通过改变泵浦激光频率（约550 kHz范围）或微波功率（8 MHz范围），可精确调控重复频率f_rep；2）微波功率与锁定范围呈线性关系（遵循Adler方程），30 dBm调制时锁定范围达550 kHz。这种调谐灵活性使其能适应不同应用场景需求。

结论与展望
该研究通过多非线性协同策略，将传统视为噪声源的拉曼散射转化为有益的非线性增益机制，实现了兼具宽带、低噪声和可调谐的REO微梳。其重要意义在于：1）为集成光频梳提供了性能提升新范式；2）揭示的自锁定机制可拓展至其他非线性过程（如X⁽²⁾参量振荡）；3）为高分辨率光谱学、光通信和量子技术提供了实用化光源。未来通过耦合谐振器结构设计和色散工程优化，有望进一步提升功率和光谱范围。这项研究不仅推动了微梳技术的发展，也为探索非线性光子学中的多物理场耦合提供了新思路。

（注：所有实验数据、代码可向通讯作者Chun-Hua Dong索取，设备制备方法详见原文Methods部分）