一、引言：片上光頻梳的技術突破
    在光子學領域，微腔光頻梳（Microcomb）正引領一場關于芯片級光電子系統(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、光學計算等領域的關鍵技術。北京大學王興軍教授團隊在《PhotonicsInsights》發(fā)表的綜述論文《Microcombtechnology:fromprinciplestoapplications》，系統(tǒng)梳理了該領域近二十年的發(fā)展脈絡，揭示了其物理本質(zhì)與應用圖景，為后續(xù)研究提供了重要理論基石。

    二、物理機制：非線性光學與孤子動力學的完美結合
    微腔光梳的誕生源于對傳統(tǒng)鎖模激光器的微型化探索。21世紀初，研究者提出利用片上微腔產(chǎn)生光頻梳的設想，并于2014年首次在微腔中觀測到鎖模光梳，開啟了該領域的快速發(fā)展期。其核心機制基于高Q因子微腔中的三階非線性克爾效應：當泵浦激光頻率與微腔諧振模匹配時，腔內(nèi)會激發(fā)參量振蕩，形成等間距的相干光頻梳。
    光梳的動力學演化呈現(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)時空混沌態(tài)，最終在色散與非線性效應平衡時鎖定為單孤子脈沖。值得注意的是，微腔的色散設計是調(diào)控光梳形態(tài)的關鍵——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，簡化了復雜非線性過程的計算。
    在實驗實現(xiàn)中，熱光效應導致的功率波動是觀測單孤子態(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。例如，自注入鎖定技術通過反饋機制提升穩(wěn)定性，在集成度與復雜度之間取得平衡，成為當前主流方法之一（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。其中，SiN憑借低損耗（Q因子達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)出獨特優(yōu)勢。
    加工技術的進步推動了微腔從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化：
    晶體微腔加工：通過剪切拋光實現(xiàn)高精度腔面制備，典型應用于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：直接在襯底上沉積薄膜（如SiN光波導），簡化工藝流程；
    鍵合工藝：通過晶圓鍵合實現(xiàn)異質(zhì)材料集成，例如將LiNbO3薄膜鍵合至硅基底，結合二者優(yōu)勢；
    微轉移印刷：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實現(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。

    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計的核心。早期通過調(diào)節(jié)波導尺寸（如寬度、高度）實現(xiàn)色散優(yōu)化，近年發(fā)展出模式間耦合、耦合環(huán)結構及光子晶體微環(huán)等更靈活的調(diào)控手段。例如，光子晶體微環(huán)通過光柵結構實現(xiàn)前向與后向場耦合，可精確設計色散曲線。
    能量轉換效率方面，亮孤子因泵浦光與孤子脈沖功率重疊低，效率僅約1%，而脈沖泵浦技術可顯著提升至更高水平。泵浦回收技術通過再注入微腔，理論上可實現(xiàn)98%的能量利用率?；旌锨唤Y構（如硅氮化硅復合腔）則通過新型孤子動力學，進一步優(yōu)化轉換效率。
    （二）噪聲抑制技術
    腔內(nèi)噪聲主要來源于泵浦激光、熱效應及量子漲落，表現(xiàn)為強度噪聲與相位噪聲。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合波導（正負熱光系數(shù)材料）降低有效溫度；
    “安靜點”設計：利用拉曼效應與色散波效應抵消頻率偏移，使系統(tǒng)工作于低噪聲狀態(tài)；
    克爾誘導同步：通過光梳模式間的非線性耦合，抑制梳線相位噪聲。

    五、應用場景：從精密計量到片上信息系統(tǒng)的跨界突破
    （一）高精度計量與傳感
    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10^18量級。在光譜學中，直接頻梳光譜（DFCS）和雙梳光譜（DCS）技術實現(xiàn)了分子指紋的快速高分辨率測量，已應用于環(huán)境監(jiān)測與生物醫(yī)學領域。激光雷達（LiDAR）方面，微腔光梳通過并行多波長光源提升ToF（飛行時間）和FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）雷達的分辨率，支持動態(tài)場景的實時三維成像。此外，其在光學斷層掃描（OCT）中的應用，顯著提升了成像深度與分辨率，推動便攜式醫(yī)療設備發(fā)展。
    （二）通信與信息處理
    在光通信領域，微腔光梳與密集波分復用（DWDM）技術結合，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。光計算方面，利用波長正交性構建矩陣運算單元，可大幅降低傳統(tǒng)電子計算的功耗與復雜度，適用于并行神經(jīng)網(wǎng)絡與光學卷積計算。微波光子學中，微腔光梳用于低噪聲微波信號生成與多抽頭信號處理，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
    盡管微腔光梳技術已在多個領域展現(xiàn)潛力，但其系統(tǒng)級應用仍依賴分立元件。近年來，集成光電子技術的發(fā)展推動了片上系統(tǒng)的突破：高速片上光電I/O接口、大容量數(shù)據(jù)鏈路、光子卷積計算單元等集成系統(tǒng)相繼問世。例如，王興軍團隊開發(fā)的微腔光梳驅動硅光子系統(tǒng)，實現(xiàn)了單片上百個光梳模式的并行處理，為未來“芯片級光子信息網(wǎng)絡”奠定了基礎。

    六、挑戰(zhàn)與展望：從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的最后一公里
    當前，微腔光梳領域仍面臨三大挑戰(zhàn)：
    1.大規(guī)模異質(zhì)集成：實現(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)技術能耗較高，需開發(fā)低功耗泵浦方案（如電泵浦半導體激光器）；
    3.量子應用拓展：探索微腔光梳在量子通信、量子計算中的應用，如多光子糾纏源的集成化。
    未來，隨著逆設計算法（如拓撲優(yōu)化）與6英寸晶圓量產(chǎn)技術的成熟，微腔光梳有望從實驗室走向消費級市場。王興軍團隊在綜述中指出，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，推動光電子技術向更智能、更緊湊、更高效的方向演進。

    微腔光梳不僅是光子學領域的基礎研究突破，更是連接基礎科學與產(chǎn)業(yè)應用的橋梁。從精密計量到通信計算，從實驗室芯片到未來信息網(wǎng)絡，其發(fā)展軌跡印證了“微納尺度創(chuàng)新驅動宏觀技術變革”的科學邏輯。隨著材料、工藝與系統(tǒng)設計的協(xié)同進步，這一“芯片上的光頻尺”或將重新定義人類對光與物質(zhì)相互作用的認知，開啟光子集成時代的新紀元。