慶應義塾大學研究生院理工學研究科博士研究生（研究當時）楊柳、理工學部物理學科本科四年級學生小川佳祐、 藤井瞬助教等人組成的研究團隊，與西安交通大學進行國際聯合研究，成功利用以往認為不利於微型光諧振器生成光頻梳（微梳）的晶體光學特性，實現了微梳輸出功率與效率的飛躍性提升。相關研究成果已發表在期刊《Physical Review Letters》。
圖1：（上）單晶微型光諧振器的照片與本研究方法的要點。X切諧振器中，因雙折射特性產生偏振模式間的強相互作用；（下）本研究驗證的高輸出功率、高轉化效率微梳光譜。（供圖：慶應義塾大學）
光頻梳（光梳）是一種由多束雷射等間距排列構成的又名「光尺」的光源，在高速光通信、精密測量、低噪音微波發生等廣泛領域具有廣闊的應用前景。其中，利用微型光諧振器生成的微梳（微光梳）作為兼具簡便性、小型化、節能性與高重複性等實用優勢的雷射光源，正在全球範圍內積極開展研發。在各類微梳中，具有高相干性與低噪音特性的「孤立子梳」尤其適用於多種應用場景，相關社會化應用的推進工作已逐步展開。
然而，孤立子梳存在輸出光功率與激勵光轉化效率低的根本性課題。尤其在數吉赫茲（GHz）至數百吉赫茲的高重複合頻率孤立子梳中，激勵用的連續波雷射光束大部分會直接穿透諧振器，導致實際可用梳光功率通常僅佔激勵功率的數%以下，輸出功率更不足數毫瓦（mW）。因此，高性能應用需依賴外部光放大器，這也導致系統體積增大且噪音加劇。
研究團隊聚焦於由氟化鎂（MgF₂）單晶構成的超高Q微型光諧振器，通過積極利用晶體強烈的雙折射特性及其衍生的光學特性，實現了前所未有的大功率、高效率孤立子梳。
MgF₂作為具有雙折射性的單軸晶體，其光軸與切削方向的設定會顯著改變諧振器內光的傳播特性。既往應用中，主要採用光軸與諧振器對稱軸一致的Z切諧振器，以實現穩定的微梳生成。然而Z切諧振器因各偏振態折射率恆定且波長色散較緩，導致孤立子輸出功率與轉化效率存在侷限。
針對此問題，研究團隊引入了沿光軸與諧振器對稱軸垂直的X軸方向切割的X切諧振器。在X切諧振器中，由於晶體的雙折射特性，光在諧振器內完成一周傳播時，特定偏振模式的折射率會週期性變化。這種效應導致偏振模式間產生強相互作用，從而在諧振器的波長色散中誘導出顯著的畸變。
通常認為此類模式間強相互作用會阻礙孤立子梳的形成，但研究團隊發現該現象可在特定波段產生局部極強的異常色散。通過利用該局部色散區域形成微梳，成功大幅增強了孤立子梳能量，實現了高輸出功率運行。
實驗結果表明，使用X切MgF₂諧振器成功生成了工作重複合頻率達15.5GHz、平均輸出功率最高約38mW、轉化效率最高達28%的微梳。所獲光脈衝具有數皮秒脈寬，展現出穩定的低噪音特性。作為連續波激勵型微梳，性能達到世界最高水平。通過理論解析進一步證實，強異常色分散可顯著提升輸出功率與轉化效率，驗證了實驗結果。
此次實現的高輸出孤立子微梳不僅能繞過光放大器實現高效光電轉換，更將為低噪音微波生成與基準時鐘信號分配等下一代通信應用帶來巨大優勢。該設計理念還可推廣至其他波段及集成型諧振器器件，有望成為開發實用化高效率微梳的關鍵基礎技術。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Letters 136, 043802 (2026)
論文：High-Power Picosecond Pulsed Kerr Soliton Microcombs
DOI：doi.org/10.1103/vdrs-2cvt
