一、引言：片上光頻梳的技術(shù)突破
    在光子學(xué)領(lǐng)域，微腔光頻梳（Microcomb）正引領(lǐng)一場關(guān)于芯片級(jí)光電子系統(tǒng)的革命。作為一種能在芯片尺度上產(chǎn)生并行相干光頻梳的核心器件，其緊湊性、高效性和集成潛力，使其成為下一代光通信、精密測量、光學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。北京大學(xué)王興軍教授團(tuán)隊(duì)在《PhotonicsInsights》發(fā)表的綜述論文《Microcombtechnology:fromprinciplestoapplications》，系統(tǒng)梳理了該領(lǐng)域近二十年的發(fā)展脈絡(luò)，揭示了其物理本質(zhì)與應(yīng)用圖景，為后續(xù)研究提供了重要理論基石。

    二、物理機(jī)制：非線性光學(xué)與孤子動(dòng)力學(xué)的完美結(jié)合
    微腔光梳的誕生源于對(duì)傳統(tǒng)鎖模激光器的微型化探索。21世紀(jì)初，研究者提出利用片上微腔產(chǎn)生光頻梳的設(shè)想，并于2014年首次在微腔中觀測到鎖模光梳，開啟了該領(lǐng)域的快速發(fā)展期。其核心機(jī)制基于高Q因子微腔中的三階非線性克爾效應(yīng)：當(dāng)泵浦激光頻率與微腔諧振模匹配時(shí)，腔內(nèi)會(huì)激發(fā)參量振蕩，形成等間距的相干光頻梳。
    光梳的動(dòng)力學(xué)演化呈現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)特性：從連續(xù)波背景下的調(diào)制不穩(wěn)定性，經(jīng)時(shí)空混沌態(tài)，最終在色散與非線性效應(yīng)平衡時(shí)鎖定為單孤子脈沖。值得注意的是，微腔的色散設(shè)計(jì)是調(diào)控光梳形態(tài)的關(guān)鍵——反常色散腔產(chǎn)生亮孤子光梳，正常色散腔則生成暗孤子光梳。理論建模方面，耦合模方程、Ikeda映射和LLE方程被用于仿真光梳演化，其中后兩者基于非線性薛定諤方程，簡化了復(fù)雜非線性過程的計(jì)算。
    在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)中，熱光效應(yīng)導(dǎo)致的功率波動(dòng)是觀測單孤子態(tài)的主要障礙。為此，研究者開發(fā)了快速掃頻、脈沖泵浦、自注入鎖定等多種激發(fā)技術(shù)。例如，自注入鎖定技術(shù)通過反饋機(jī)制提升穩(wěn)定性，在集成度與復(fù)雜度之間取得平衡，成為當(dāng)前主流方法之一（表1）。

    三、材料與加工：從單一晶體到異質(zhì)集成的平臺(tái)創(chuàng)新
    材料體系的拓展是微腔光梳突破波段限制的核心。目前，硅（Si）、氮化硅（SiN）、鈮酸鋰（LiNbO3）、氮化鋁（AlN）等材料已成為主流平臺(tái)。其中，SiN憑借低損耗（Q因子達(dá)10^8）和寬波段覆蓋（可見光至中紅外）特性，成為通信波段的優(yōu)選；LiNbO3則因強(qiáng)非線性系數(shù)，適用于高效率光梳產(chǎn)生；金剛石和碳化硅（SiC）等超寬禁帶材料，則在中紅外波段展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
    加工技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了微腔從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化：
    晶體微腔加工：通過剪切拋光實(shí)現(xiàn)高精度腔面制備，典型應(yīng)用于MgF2、CaF2等晶體；
    熔化凝固工藝：利用液體表面張力制備平滑腔面，適用于玻璃類材料；
    單片集成技術(shù)：直接在襯底上沉積薄膜（如SiN光波導(dǎo)），簡化工藝流程；
    鍵合工藝：通過晶圓鍵合實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料集成，例如將LiNbO3薄膜鍵合至硅基底，結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)；
    微轉(zhuǎn)移印刷：以高材料利用率降低成本，但其輸出功率不足仍是挑戰(zhàn)。
    混合集成與異質(zhì)集成技術(shù)的發(fā)展，使得泵浦激光器與微腔芯片的單片集成成為可能。例如，通過光子線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)光源與微腔的高效耦合，盡管成本較高，但為全集成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

    四、性能優(yōu)化：色散工程與噪聲抑制的雙重挑戰(zhàn)
    （一）色散調(diào)控與能量效率
    色散工程是微腔光梳設(shè)計(jì)的核心。早期通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)尺寸（如寬度、高度）實(shí)現(xiàn)色散優(yōu)化，近年發(fā)展出模式間耦合、耦合環(huán)結(jié)構(gòu)及光子晶體微環(huán)等更靈活的調(diào)控手段。例如，光子晶體微環(huán)通過光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前向與后向場耦合，可精確設(shè)計(jì)色散曲線。
    能量轉(zhuǎn)換效率方面，亮孤子因泵浦光與孤子脈沖功率重疊低，效率僅約1%，而脈沖泵浦技術(shù)可顯著提升至更高水平。泵浦回收技術(shù)通過再注入微腔，理論上可實(shí)現(xiàn)98%的能量利用率?；旌锨唤Y(jié)構(gòu)（如硅氮化硅復(fù)合腔）則通過新型孤子動(dòng)力學(xué)，進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。
    （二）噪聲抑制技術(shù)
    腔內(nèi)噪聲主要來源于泵浦激光、熱效應(yīng)及量子漲落，表現(xiàn)為強(qiáng)度噪聲與相位噪聲。抑制方案包括：
    泵浦鎖定：通過反饋環(huán)路穩(wěn)定激光頻率，降低相位噪聲；
    熱噪聲控制：采用輔助光熱平衡或復(fù)合波導(dǎo)（正負(fù)熱光系數(shù)材料）降低有效溫度；
    “安靜點(diǎn)”設(shè)計(jì)：利用拉曼效應(yīng)與色散波效應(yīng)抵消頻率偏移，使系統(tǒng)工作于低噪聲狀態(tài)；
    克爾誘導(dǎo)同步：通過光梳模式間的非線性耦合，抑制梳線相位噪聲。

    五、應(yīng)用場景：從精密計(jì)量到片上信息系統(tǒng)的跨界突破
    （一）高精度計(jì)量與傳感
    微腔光梳作為穩(wěn)定的“光頻率尺”，為光鐘提供了光微波頻段的無縫鏈接，精度可達(dá)10^18量級(jí)。在光譜學(xué)中，直接頻梳光譜（DFCS）和雙梳光譜（DCS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分子指紋的快速高分辨率測量，已應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。激光雷達(dá)（LiDAR）方面，微腔光梳通過并行多波長光源提升ToF（飛行時(shí)間）和FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)的分辨率，支持動(dòng)態(tài)場景的實(shí)時(shí)三維成像。此外，其在光學(xué)斷層掃描（OCT）中的應(yīng)用，顯著提升了成像深度與分辨率，推動(dòng)便攜式醫(yī)療設(shè)備發(fā)展。
    （二）通信與信息處理
    在光通信領(lǐng)域，微腔光梳與密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)結(jié)合，提供穩(wěn)定的多波長光源，降低信道間干擾，頻譜效率提升30%以上。光計(jì)算方面，利用波長正交性構(gòu)建矩陣運(yùn)算單元，可大幅降低傳統(tǒng)電子計(jì)算的功耗與復(fù)雜度，適用于并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與光學(xué)卷積計(jì)算。微波光子學(xué)中，微腔光梳用于低噪聲微波信號(hào)生成與多抽頭信號(hào)處理，為5G/6G通信提供新型射頻光子鏈路解決方案。
    （三）系統(tǒng)集成與片上化
    盡管微腔光梳技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，但其系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用仍依賴分立元件。近年來，集成光電子技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了片上系統(tǒng)的突破：高速片上光電I/O接口、大容量數(shù)據(jù)鏈路、光子卷積計(jì)算單元等集成系統(tǒng)相繼問世。例如，王興軍團(tuán)隊(duì)開發(fā)的微腔光梳驅(qū)動(dòng)硅光子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單片上百個(gè)光梳模式的并行處理，為未來“芯片級(jí)光子信息網(wǎng)絡(luò)”奠定了基礎(chǔ)。

    六、挑戰(zhàn)與展望：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的最后一公里
    當(dāng)前，微腔光梳領(lǐng)域仍面臨三大挑戰(zhàn)：
    1.大規(guī)模異質(zhì)集成：實(shí)現(xiàn)光源、微腔、探測器等多元器件的單片集成，降低成本與體積；
    2.能耗優(yōu)化：現(xiàn)有激發(fā)技術(shù)能耗較高，需開發(fā)低功耗泵浦方案（如電泵浦半導(dǎo)體激光器）；
    3.量子應(yīng)用拓展：探索微腔光梳在量子通信、量子計(jì)算中的應(yīng)用，如多光子糾纏源的集成化。
    未來，隨著逆設(shè)計(jì)算法（如拓?fù)鋬?yōu)化）與6英寸晶圓量產(chǎn)技術(shù)的成熟，微腔光梳有望從實(shí)驗(yàn)室走向消費(fèi)級(jí)市場。王興軍團(tuán)隊(duì)在綜述中指出，集成光電子與微腔光梳的深度融合，將催生“多功能、高并行片上光電子信息系統(tǒng)”的新一輪革命，推動(dòng)光電子技術(shù)向更智能、更緊湊、更高效的方向演進(jìn)。

    微腔光梳不僅是光子學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究突破，更是連接基礎(chǔ)科學(xué)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的橋梁。從精密計(jì)量到通信計(jì)算，從實(shí)驗(yàn)室芯片到未來信息網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)展軌跡印證了“微納尺度創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)宏觀技術(shù)變革”的科學(xué)邏輯。隨著材料、工藝與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)同進(jìn)步，這一“芯片上的光頻尺”或?qū)⒅匦露x人類對(duì)光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)知，開啟光子集成時(shí)代的新紀(jì)元。