庆应义塾大学研究生院理工学研究科博士研究生（研究当时）杨柳、理工学部物理学科本科四年级学生小川佳祐、 藤井瞬助教等人组成的研究团队，与西安交通大学进行国际联合研究，成功利用以往认为不利于微型光谐振器生成光频梳（微梳）的晶体光学特性，实现了微梳输出功率与效率的飞跃性提升。相关研究成果已发表在期刊《Physical Review Letters》。
图1：（上）单晶微型光谐振器的照片与本研究方法的要点。X切谐振器中，因双折射特性产生偏振模式间的强相互作用；（下）本研究验证的高输出功率、高转换效率微梳光谱。（供图：庆应义塾大学）
光频梳（光梳）是一种由多束激光等间距排列构成的又名“光尺”的光源，在高速光通信、精密测量、低噪声微波发生等广泛领域具有广阔的应用前景。其中，利用微型光谐振器生成的微梳（微光梳）作为兼具简便性、小型化、节能性与高重复性等实用优势的激光光源，正在全球范围内积极开展研发。在各类微梳中，具有高相干性与低噪声特性的“孤子梳”尤其适用于多种应用场景，相关社会化应用的推进工作已逐步展开。
然而，孤子梳存在输出光功率与激励光转换效率低的根本性课题。尤其在数吉赫兹（GHz）至数百吉赫兹的高重复频率孤子梳中，激励用的连续波激光光束大部分会直接穿透谐振器，导致实际可用梳光功率通常仅占激励功率的数%以下，输出功率更不足数毫瓦（mW）。因此，高性能应用需依赖外部光放大器，这也导致系统体积增大且噪声加剧。
研究团队聚焦于由氟化镁（MgF₂）单晶构成的超高Q微型光谐振器，通过积极利用晶体强烈的双折射特性及其衍生的光学特性，实现了前所未有的大功率、高效率孤子梳。
MgF₂作为具有双折射性的单轴晶体，其光轴与切削方向的设定会显著改变谐振器内光的传播特性。既往应用中，主要采用光轴与谐振器对称轴一致的Z切谐振器，以实现稳定的微梳生成。然而Z切谐振器因各偏振态折射率恒定且波长色散较缓，导致孤子输出功率与转换效率存在局限。
针对此问题，研究团队引入了沿光轴与谐振器对称轴垂直的X轴方向切割的X切谐振器。在X切谐振器中，由于晶体的双折射特性，光在谐振器内完成一周传播时，特定偏振模式的折射率会周期性变化。这种效应导致偏振模式间产生强相互作用，从而在谐振器的波长色散中诱导出显著的畸变。
通常认为此类模式间强相互作用会阻碍孤子梳的形成，但研究团队发现该现象可在特定波段产生局部极强的异常色散。通过利用该局部色散区域形成微梳，成功大幅增强了孤子梳能量，实现了高输出功率运行。
实验结果表明，使用X切MgF₂谐振器成功生成了工作重复频率达15.5GHz、平均输出功率最高约38mW、转换效率最高达28%的微梳。所获光脉冲具有数皮秒脉宽，展现出稳定的低噪声特性。作为连续波激励型微梳，性能达到世界最高水平。通过理论解析进一步证实，强异常色分散可显著提升输出功率与转换效率，验证了实验结果。
此次实现的高输出孤子微梳不仅能绕过光放大器实现高效光电转换，更将为低噪声微波生成与基准时钟信号分配等下一代通信应用带来巨大优势。该设计理念还可推广至其他波段及集成型谐振器器件，有望成为开发实用化高效率微梳的关键基础技术。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Letters 136, 043802 (2026)
论文：High-Power Picosecond Pulsed Kerr Soliton Microcombs
DOI：doi.org/10.1103/vdrs-2cvt
