现代工程与应用科学学院姜校顺、肖敏团队利用光学微腔中多种非线性光学效应的相互作用，实现了一种新型的片上微腔孤子光频梳，并将这种光频梳命名为布里渊-克尔孤子光频梳。该光频梳具有易锁模、窄梳齿线宽、低噪声等优点。基于这种布里渊-克尔孤子光频梳，研究团队还实现了低相噪的X波段微波源。
光学频率梳在时域上是周期性的脉冲序列，频域上是频率间隔相等的一系列梳齿。光学频率梳作为一种光学齿轮可以直接连接光学频率与微波频率，并使得光学频率和微波频率可以相互转换和测量。光学频率梳的发明在激光发展史上具有里程碑的意义。然而，由于光学频率梳的系统复杂，其应用大多在实验室环境。微腔光频梳（特别是微腔孤子光频梳）的发明则为光学频率梳的实际应用提供了新的方案。目前，微腔光频梳已在相干光通信、激光雷达、光计算、光谱学、微波光子学、天文光谱仪校准、光原子钟等领域得到了重要应用。实验上，为了获得相位相干、时域为脉冲的微腔光频梳，需要仔细调节泵浦激光的功率和失谐量（红失谐），使得微腔中的非线性和色散、增益和损耗同时达到平衡，从而得到耗散的孤子态。然而，由于光学微腔中强烈的热光非线性效应，获得孤子态通常需要特殊的手段来降低或者补偿热效应，并且需要利用复杂的锁定装置降低孤子噪声。
图1 (a) 布里渊-克尔孤子光学频率梳示意图。（b）红失谐布里渊激光示意图
最近，姜校顺、肖敏研究团队从理论和实验上证明，通过选择光学微腔中合适间隔的泵浦和布里渊模式，利用布里渊激光的克尔自相位调制，即可在蓝失谐泵浦条件下产生红失谐的布里渊激光，从而可以进一步激发克尔孤子光频梳。这种方法可以展宽孤子台阶，使得只通过简单地调节激光器的频率即可获得稳定的孤子态。同时，由于泵浦光处于蓝失谐，这种孤子光频率梳还具有热自稳定的优点。实验上，研究团队利用片上高品质因子回音壁模光学微腔，成功观测到了这种布里渊-克尔孤子光学频率梳的演化过程，并实现了脉宽约为170 fs的单孤子脉冲。同时，由于只有布里渊模式对应的模式族满足反常色散条件，光频梳则只在反向产生，而泵浦光只用于产生布里渊激光，其本身不会产生光学频率梳。另一方面，由于布里渊非线性过程具有窄带宽和高增益的特点，高品质因子光学微腔中的布里渊效应可用于实现窄线宽的微型激光器。在本工作中，研究团队发现该布里渊-克尔孤子光频梳的梳齿仍然可以维持布里渊激光的窄线宽的优点。实验上通过对频率噪声的测量可得到梳齿的基础线宽约为23.5 Hz，远低于泵浦激光的基础线宽（~1 kHz）。
图2（a）泵浦激光、背向激光和光梳的功率透射谱。（b）单孤子光谱和拍频。（c）激光频率噪声表征。（d）微波信号相位噪声表征
基于该布里渊-克尔孤子光频梳的窄梳齿线宽和热自稳定的特点，研究团队还利用该微腔光频梳进一步实现了X波段的低相噪微波源。实验上，研究团队在无需额外锁定的条件下（即泵浦光处于自由运转状态），即可获得低相噪的微波信号（频率为10.43 GHz），其相位噪声可以低至-130 dBc/Hz@10 kHz，-146 dBc/Hz@100 kHz，-158 dBc/Hz@20 MHz。该微波源还具有良好的稳定性，其频率稳定度达到7.5×10-10（1 s平均时间）。这种低相噪的微波信号在微波通信及微波雷达方面具有重要应用。
该成果以“Brillouin-Kerr Soliton Frequency Combs in an Optical Microresonator”为题，发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 126, 063901 (2021)）。南京大学博士研究生白燕、张孟华、施琪和副研究员丁舒林为该论文共同第一作者，姜校顺教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。