纳米芯片上的“扭结波”光频梳

光学频率梳是一种能同时发射大量等间距精确频率光的光源，在时间计量、精密测距和光学原子钟等领域具有革命性意义。科学家一直致力于将其微型化，做成芯片尺寸的器件，但此前方案普遍存在短板：有的需要额外射频信号源，有的依赖高品质因子（高-Q）谐振腔，有的则需复杂的锁相稳频系统，且整体转换效率偏低，限制了实际应用。本文提出并实现了全新解决方案——将铌酸锂纳米光子电路与半导体激光器直接集成，构建出一种基于‘时间域拓扑孤子’的片上频率梳。这种孤子并非依靠传统色散与非线性平衡（如克尔效应），而是源于二次非线性（即参量过程）和低精细度谐振腔中的特殊相位缺陷：它表现为两个相位相差π的连续波在信号光频率处被一个稳定‘相位壁’分隔开来，且其形成不受材料色散正负号影响。研究人员利用片上交叉相关技术实测到脉宽仅约60飞秒（1飞秒=10⁻¹⁵秒）、中心波长约2微米的拓扑孤子脉冲，结果与广义参量驱动金兹堡-朗道理论高度吻合。更重要的是，该系统已实现‘开箱即用’（turn-key）的稳定运行，验证了其工程化潜力。这种拓扑频率梳具备三大优势：一是不挑色散符号，适配更广材料平台；二是摆脱了对高-Q谐振腔和高速调制器的依赖，大幅降低制造难度与功耗；三是天然可拓展至中红外等重要光谱区域，为气体传感、生物医学检测等应用开辟新路径。