南京大學介電超晶格實驗室的謝臻達教授課題組與美國科羅拉多大學博爾德分校黃書偉教授合作在克爾微腔光頻梳研究中取得重要突破，首次獲得"光子飛輪"級別的耗散克爾光孤子光梳，具有亞飛秒的時間抖動(995 as)和超低相位噪聲(-180 dBc/Hz@1 GHz載頻)，創(chuàng)造了目前微腔光頻梳中的最好紀錄，為高精度超小型"光鐘"研制提供了一種關鍵備選元器件。相關工作以"編輯推薦"方式發(fā)表在物理學旗艦刊物物理評論快報(PRL)上。

　　"光子飛輪"概念首先由光頻梳研究先驅、漢堡大學Franz X. Kärtner教授提出，類比于機械飛輪，采用光學方法產生高重復性和低抖動的周期性信號，可以實現(xiàn)目前人類所能達到的最精密的時間標準，因而微波光子學、精確授時、遙感定位等領域具有重要應用價值。"光子飛輪"已經可以在基于飛秒鎖模激光器的光頻梳中實現(xiàn)，但是其結構復雜、體積重量較大、受環(huán)境影響大，通常只能在實驗室里運轉，且重復頻率通常限制在1GHz以下。而光學微腔中的克爾孤子光梳可以大大縮小系統(tǒng)的體積、提升環(huán)境適應性，有望實現(xiàn)現(xiàn)場可部署器件。然而片上光學微腔的量子噪聲極限較高，且噪聲水平進一步受到泵浦激光器噪聲和光孤子熱穩(wěn)定性限制，現(xiàn)有的相位噪聲和時間抖動水平無法達到"光子飛輪"級別。

　　針對上述問題，南京大學和科羅拉多大學團隊采用機械拋光和光學鍍膜的方法，制備了具有高品質因子(Q)的法布里珀羅光纖微腔，Q值可達3.4 × 107。研究人員創(chuàng)造性地提出了“兩步泵浦”的新機制(由圖1所示)，即利用光纖微腔內腔增強的交叉偏振受激布里淵激光(SBL)間接泵浦產生光孤子光頻梳。通過兩步泵浦，該光頻梳的噪聲可以突破泵浦激光的噪聲限制，通過外力可調的應力致雙折射可以調控孤子狀態(tài)并實現(xiàn)熱穩(wěn)定孤子產生，因而該光梳可以逼近光纖微腔本身較低的量子噪聲極限。自由運轉狀態(tài)下的微腔光頻梳噪聲水平已接近飛秒鎖模激光器，時間抖動可以低于一個光學周期，達到了“光子飛輪”級別。

　　此外，光纖微腔的的加工不受光學芯片微加工工藝的尺寸限制，容易通過腔長的精確控制，使重復頻率(frep)覆蓋迫切需求的1 GHz到20 GHz的微波波段。并且光纖微腔可以很方便地與光通信產業(yè)廣泛應用的光纖器件直接插接耦合，形成全光纖系統(tǒng)，提高系統(tǒng)在復雜環(huán)境中運行的穩(wěn)定性。