中科院半导体所破解微腔光梳“能耗”难题：效率跃升88%！

光学频率梳，一直是光通信、精密光谱、微波光子学与时间频率基准领域公认的“新一代光学标尺”。其中，基于片上微腔的孤子光频梳，凭借体积小、集成度高的优势，被业界视为未来光子集成电路的核心方向。但长期以来，这项技术一直卡在“如何稳定且高效地产生孤子”这一关键瓶颈上，导致了很长一段时间内未能实现从实验室走向大规模工程应用。

近日，中国科学院半导体研究所陈少武研究员团队，联合南开大学和北京长城计量测试技术研究所，在耦合腔自注入锁定孤子光梳产生理论及方法上取得了重要突破，为这一难题提供了全新的解题思路。他们通过双环耦合微腔设计，将单孤子光频梳的能量转换效率提升至49%；在U型波导反馈干涉耦合腔系统中，孤子晶体光梳的能量转换效率进一步达到67%-88%，同时还可实现孤子数目在4-8之间连续可调。目前，相关研究成果已于2026年10月16日发表在《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）期刊上。

孤子光梳的两大难题：扫频怕热，点亮怕浪费

高效的光频梳芯片，能够显著降低数据传输的能耗和延迟，为边缘侧的高带宽数据处理提供物理层支持。但传统孤子光梳的激发，通常需要窄线宽激光器对微腔进行扫频泵浦。该过程极易受到微腔热光效应影响，孤子极易湮灭，严重拖累稳定性。改用双波长窄线宽激光器热补偿，孤子虽稳，但泵浦系统成本高、控制复杂。

学界近年提出的“启钥孤子”方案则换了一个思路：直接开启与微腔对接耦合的半导体激光器，靠自注入锁定让孤子光梳快速自发生成，省去扫频、避开热效应，系统结构大幅简化。

但单腔自注入锁定也有代价：泵浦能量转换效率仅1%-3%，大量泵浦能量被白白消耗；同时微腔谐振频率定死，梳齿重复频率无法调节。“能点亮”和“真正好用”之间，还隔着一段距离。

双环耦合腔：锁定区“裂开”，效率升至49%

在本次研究中，该团队首先瞄准了双环耦合微腔。系统仿真发现，这类结构的调谐曲线上存在显著的锁定区域分裂现象，分裂位置主要由两环之间的能量耦合系数与中心频率差决定。

这意味着，耦合腔并不是简单“多套一个环”，而是通过参数设计把自注入锁定的工作窗口重新划分。在主环半径为辅助环5倍的结构中，沿用“启钥”方法即可高效激发单孤子光频梳，能量转换效率达49%。这一数字较单腔方案提升了一个数量级以上，更多泵浦能量真正灌进了孤子。

U型干涉腔：孤子晶体4-8可调，效率最高88%

第二种结构是U型波导反馈干涉耦合腔。研究发现，自注入锁定效应可以主动诱导“孤子晶体”产生。多个孤子在腔内排成规则阵列，而非传统单孤子那样只跑一个点。

通过调节耦合腔的传输相位，孤子数目可在4-8之间连续可调，对应能量转换效率为67%-88%；进一步通过色散工程，孤子数目的上限还能继续推高。在50次独立重复的“启钥”数值仿真实验中，2-8孤子晶体均被成功生成，方案的稳健性得到验证。

此外，该团队还发现，在特定环形相位配置下，自注入锁定效应会直接消失。这揭示出系统对称性与反馈相位的关键作用——相位不对，“钥匙”再好也开不了锁。

行业价值：给光子芯片装上“高效引擎”

这组工作的分量，在于同时回应了微腔光梳走向实用化的两个核心诉求：高能量转换效率，以及梳齿频率间隔的灵活调控。孤子晶体把更多能量聚拢进梳齿，耦合腔与相位调节则把重复频率变成一个可设计变量。

对于宽带相干光通信、精密光谱测量、微波光子学和时间频率基准等应用而言，这正是从“实验室里能做出来”走向“系统里装得上去”的关键一步。据介绍，该成果为高能量转换效率且梳齿间隔可灵活调控的片上集成孤子晶体光频梳发展，提供了新思路与理论支撑。

从“扫频怕热”到“一键启钥”，再到如今的高效率与可调谐，片上微腔光梳的实用化路径正在被一块块打通。当光梳真正做到“小、稳、亮、可调”时，它在下一代光网络与精密测量中扮演的角色，才刚刚开始清晰。