纪念创刊50周年特刊 | 南昌航空大学 王梦宇:氟化镁微腔光频梳研究进展

微腔光频梳（OFCs）凭借其小型化、功耗低、可集成和高相干性的优势，在双梳光谱学、相干光通信、激光雷达和光钟等领域具有显著的应用价值。文章首先概述了微腔OFCs的研究意义，然后对微腔OFCs进行了介绍；接着简述了氟化镁（MgF₂）微腔的制备和封装技术；然后阐述了MgF₂微腔OFCs的产生和调控方法；最后重点介绍了MgF₂微腔OFCs的应用，包括微波光子、光通信和精密计量等。

光学频率梳，简称光频梳（Optical Frequency Combs，OFCs），是由一系列离散和等间隔的频率成分组成的宽带光谱^[1]，可产生一系列具有相等频率间隔的光学频率，就像一把梳子的梳齿。OFCs可以用来精确测量光的频率，从而实现超高精度的时间和长度标准，以及对原子和分子的精密光谱分析^[2]。OFCs频域上覆盖百THz带宽，频率测量精度可溯源至时间频率基准，有效地提供了微波到光频的相干互联^[3]。因其输出信号具备高质量、高重频和宽光谱范围等颠覆性的特性，结合现有各类应用场景均有跨越式的进步，该技术获得2005年诺贝尔物理学奖。

OFCs的产生是继超短脉冲产生之后又一重大意义的激光技术。早期的OFCs是由锁模激光器产生^[4]，但锁模激光器体积大且价格昂贵，因而限制了OFCs的发展。随着新一代集成芯片技术、新型光电子集成技术等新兴领域的发展，光电子器件趋于小型化，集成度越来越高，功能越来越强。光学微腔频率梳，简称微腔OFCs，是一种新型的OFCs技术^[5]，与传统锁模激光器产生的OFCs相比，其大大减小了系统的体积和功耗。微腔OFCs具有小尺寸、低功耗和可单片集成等优势^[6]，而且在控制群速色散上相对更加灵活，更易获得倍频程OFCs。随着微加工技术的逐渐成熟，微腔OFCs频率间隔可以轻松覆盖GHz到THz量级。尤其，微腔OFCs是如今唯一有望实现芯片级的OFCs系统，大大推动了OFCs的小型化，有望作为下一代集成光源，在相干光通信、微波信号产生、气体探测、光谱学、雷达和量子密钥分发等方面展现前所未有的优势，成为科研和产业界研究热点^[7]。

目前多种材料微腔平台已实现微腔OFCs，如二氧化硅（SiO₂）^[8]、高折射率二氧化硅（Hydex）^[9]、氟化钙（GaF₂）^[10]、氟化镁（MgF₂）^[11]、氟化钡（BaF₂）^[12]、氮化硅（Si₃N₄）^[13]、氮化铝（AlN）^[14]、砷化铝镓（AlGaAs）^[15]和铌酸锂（LiNbO₃）^[16]等。其中，MgF₂材料微腔具备吸收常数小、缺陷少、纯度高和透明窗口广的特点，并且相比SiO₂材料微腔，MgF₂材料微腔对周围环境湿度更不敏感，还兼顾半导体微腔可集成的优势。MgF₂微腔一方面可实现超高品质因子Q值^[17]，提高了OFCs转换效率；另一方面具有天然负色散的优势，可实现孤子OFCs^[11]，为微腔OFCs的发展带来了诸多契机。

本文主要介绍了基于超高品质因子Q值MgF₂微腔的制备工艺与封装技术，然后介绍了微腔OFCs的产生原理、激发阈值与演化过程，随后介绍了MgF₂微腔OFCs的产生和调控方法，最后介绍了MgF₂微腔OFCs的应用前景。同时，本文还对当前MgF₂微腔OFCs研究存在的问题和未来的发展方向进行了分析和探讨，旨在为相关研究提供参考和指导。

OFCs在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系，相邻光谱线的频率间隔由OFCs的脉冲重复频率决定。微腔OFCs的产生原理基于微腔内的四波混频（Four Wave Mixing，FWM）效应^[18]，FWM效应来源于微腔中3阶非线性效应，是两个光子或者3个光子相互作用，产生新的光子的过程。

如图1上半部分所示，用连续波激光束泵浦一个MgF₂微腔产生参数频率转换。微腔OFCs基本原理就是FWM参量的转换过程，泵浦光进入腔内后，在非简并FWM和简并FWM效应作用下光谱得到展宽。如图1下半部分所示，首先在简并FWM作用下泵浦光附近会出现第1对边带，这对边带也通常被理解为是由于泵浦光调制不稳定性所产生。接着由于非简并FWM，第1对边带与泵浦光之间产生更多新梳齿，梳齿之间频率间隔通常为N×f_r，N为整数，f_r为自由光谱范围。

图1  微腔FWM效应产生OFCs原理示意图

研究微腔OFCs的理论如今已比较成熟，研究微腔OFCs常见的方法有从频域角度出发描述腔内各频率模式互相耦合的耦合模方程（Coupledmode Equation）^[19]和从时域演化角度出发描述腔内光场包络的Lugiato-Lefever方程（Lugiato-Lefever Equation，LLE）^[20]。具体方程请参见原文。

图2所示为在反常色散条件下对应的图灵环OFCs仿真结果，对于图灵环OFCs而言，其梳齿间隔为多少倍FSR，其时域上也表现为几个卷状分布，图2（a）为具有7倍FSR梳齿间隔的图灵环OFCs，其时域为7个卷状分布，结合仿真参数通过式（3）计算Δl约为7，这与梳齿间隔7倍FSR相吻合。为了得到LLE的稳定解，即稳定状态的孤子OFCs，这时候需要改变失谐量和增加泵浦值，在泵浦值增加的过程中，会出现介于图灵环OFCs和孤子OFCs之间的调制不稳定态的混沌态OFCs^[23]。图2（b）所示为仿真得到的混沌态OFCs，其时域分布表现为杂乱无章的噪声，光谱结构会随着时间的变化而变化，在实际演化的过程中，图灵环OFCs向混沌态OFCs转化是一个渐变的过程，二者没有明显的界限。

 图2  微腔OFCs演化过程

由于孤子OFCs的产生既要满足色散和非线性之间的平衡，又要满足增益与损耗之间的平衡，所以很难通过调谐某一个参数得到。无论是实验还是仿真，都需要对参数不断进行调试，才能最终得到孤子OFCs。图2（c）是使用分步傅里叶算法对LLE求得的孤子OFCs，腔内光场强度和归一化失谐值在数值上相等时即可产生孤子OFCs。针对具有其他色散值的微腔，在实验和理论仿真中可以在孤子存在区域进行参数调试从而得到孤子OFCs。孤子OFCs的时域波形表现为一个窄脉冲，中心位置以外区域均为低功率直流背景，整个波形呈轴对称，其光谱波形为标准的平滑正割包络形状，其波形关于泵浦梳齿对称，对比混沌态OFCs可以发现，孤子OFCs具有极低的噪声特性。孤子OFCs还有一种特殊的形态，即呼吸孤子，其一般是由于极高的泵浦功率产生，图2（d）所示为仿真得到的呼吸孤子，虽然呼吸孤子在外形上仍然具有双曲正割包络特性，但是其幅度会随着慢变时间变化，而且时域波形底部会有一定程度的起伏，从这个角度也能看出呼吸孤子是一种不稳定的孤子状态。

MgF₂作为一种晶体材料，具有优越的光学特性，如高热稳定性、高透明度和低吸收率。这使得MgF₂微腔能够在保持高品质因子的同时，实现高效的光与物质相互作用。光学微腔品质因子Q值对微腔OFCs的产生有着非常重要的意义，因为Q值表征的是微腔对光能量的存储能力，Q值越大，腔内光子寿命就会越长，光物质相互作用越强，产生的OFCs阈值越低，因此，研制超高Q值光学微腔一直是研究者们的目标。高品质MgF₂晶体微腔的制备加工难度极高，对材料加工技术和设备要求较高。但是，MgF₂晶体微腔不能采用刻蚀或者熔融方法进行制备，这对超精密加工提出了很大难题。针对高Q值MgF₂微腔的制备，科研人员已经提出了多种可行性方案和技术。2006~2007年，美国加州理工学院喷气推进实验室Grudinin^[24]与Savchenkov^[25]等人利用单点金刚石车削与抛光工艺制备出了品质因子高达6.3×10¹⁰的GaF₂晶体微腔。2011~2012年，美国OEwaves公司^[11]、德国马克斯·普朗克量子光学研究所^[26]和洛桑联邦理工学院^[27]分别利用单点金刚石车削与抛光工艺制备出了品质因子优于10⁹的MgF₂晶体微腔，验证了制备MgF₂晶体微腔的有效性。

加工表面的粗糙度会限制微腔的Q值，降低表面粗糙度和相关长度的可能方法是优化切削参数。日本庆应义塾大学^[28]为了研究单点金刚石车削方法中的临界切削深度，对单晶MgF₂进行了正交切削实验。制备过程中，采用超精密加工和带有测力仪的工件夹头来检测加工过程中的切削力，如图3所示。对于加工工件，使用预抛光的MgF₂单晶衬底，用真空卡盘将其固定在工件夹头上。将MgF₂工件固定在黄铜夹具上，然后安装在真空卡盘上。超精密车削分以下3个步骤进行：最初进行粗车削以形成所需的直径；接下来，进行预精切，去除脆性模式切削时产生的大裂纹，去除厚度为8 μm；最后，在韧性模式下，在精加工下完成超精密车削。值得一提的是，使用刀具切割晶体材料，沿着相同的刀具路径移动，其形状可以基于所需来定向设计，且制作的微腔没有裂纹或划痕^[29]。此外，在超精密切削机床制备过程中，可充分利用计算机控制切割技术，以精确地设计制造微腔^[30]。

图3  MgF2微腔超精密圆柱车削与单点金刚石刀具^[28]

^{近年来，国内对MgF₂微腔的研究也如火如荼，从2021年开始，南昌航空大学[31]（2021）、哈尔滨工业大学[32]（2021）、中国科学技术大学[33]（2022）、北京邮电大学[34]（2022）、上海大学[35]（2022）、江苏师范大学[36]（2022）、北京理工大学[37]（2023）和华中光电技术研究所[38]（2023）先后报道了用精密切削和光学抛光的方法制备超高Q值MgF₂晶体微腔。图4所示为近年来南昌航空大学制备得到的不同腔型MgF₂微腔，不同腔型的模式特征不同，具有各自的特性。结合精密抛光的方法，利用磨削和多级抛光等工艺能够充分发挥晶体材料优越的光学特性。}

图4  不同腔型的MgF2微腔（南昌航空大学制备）

高稳定性的集成封装平台是MgF₂微腔走向实用化的关键，设计封装方案时除了需要考虑晶体微腔耦合系统可便携化外，同样需要考虑如何在保证系统鲁棒性前提下实现长时间稳定运行。微腔中的模式是被束缚在腔体内部的，需用光纤波导器件通过倏逝场与微腔进行耦合，形成标准化封装集成器件，如图5所示。光纤波导器件与MgF₂微腔采用接触方式实现光耦合，以提高耦合系统的鲁棒性。封装器件可实现微腔与光纤波导的完美耦合，设计了单独光纤接头，可与其他光纤系统集成。集成封装平台既可以为集成化的微腔OFCs提供实验平台，也便于集成于其他的光纤实验中。

图5  封装的MgF2微腔器件

微腔OFCs的研究最早追溯到2004年，Kippenberg等人利用SiO₂微芯圆环腔实现了FWM效应^[22]；2007年，Del'Haye等人通过将连续光泵浦石英微芯圆环腔，实现了微腔OFCs^[39]，并观察到了超过500 nm宽OFCs输出，首次实验上验证了微腔OFCs的可行性；2011年，美国OEwaves公司Liang所在团队仅用泵浦功率为2 mW的连续波光泵浦就在MgF₂晶体腔中实现了带宽为30 nm OFCs的产生^[17]，实现了低阈值功率激发微腔OFCs。但是，初期产生的OFCs通常处于调制不稳定状态，相干性不高、稳定性不好，时域波形无法形成稳定的锁模超短脉冲。2014年，Herr等人在MgF₂晶体微腔中观察到了高相干性和强稳定性孤子OFCs^[11]，如图6（a）所示，完美解决了这一问题。这项工作是在MgF₂微腔以及微腔OFCs中首次泵浦出孤子OFCs，是MgF₂微腔OFCs研究领域的一个重要里程碑，此成果成功开启了微腔孤子OFCs的研究。

图6  MgF2微腔OFCs^[11,40]

^{微腔OFCs产生光谱范围主要分布在C和L等通信波段，由于材料吸收等原因将其频谱拓展到可见光以及中红外波段较为困难，通过选择新材料体系等方法将微腔光梳频谱拓展至可见和中红外波段，对于分子光谱学以及光钟等方面应用意义重大。2013年，Wang等人将MgF₂微腔与中红外量子级联激光器结合首次在强反常色散区产生了OFCs[40]，如图6（b）所示，为新颖、简单和紧凑的中红外OFCs开辟了道路；2015年，OEwaves公司Savchenkov等人使用超精密切割法得到了品质因子为108的超高Q值MgF₂微腔[41]，并在GaF₂和MgF₂微腔中首次实验得到红外波段的长波长OFCs，采用量子级联激光器作为泵浦源，在MgF₂微腔中产生了中心波长位于4.5 μm的OFCs，这项工作激发出的红外波段的长波长OFCs对微腔OFCs在光谱学中的应用具有一定的推动作用；2022年，中国科学院西安光学精密机械研究所Wu等人[42]使用硫化砷（As₂S₃）锥形光纤耦合MgF₂微腔，基于中心波长位于4.78 μm的小型化量子级联激光器构建了产生中红外微腔OFCs的实验系统，实现了光谱范围在3 380~7 760 nm的超宽带中红外光学参量振荡过程，是目前已知波长最长的中红外微腔OFCs。}

孤子OFCs是具备高稳定性的一种OFCs，其脉冲形状和幅值在传播过程中可以长距离保持不变，在微腔中维持着非线性与色散、耗散和增益的双重平衡。MgF₂微腔孤子OFCs稳定性强的优势增加了其在各领域应用的可能性，不同类型的孤子OFCs也通过实验在微腔中逐渐被激发出来，2017年，Lucas等人在MgF₂微腔中激发出不稳定的呼吸孤子OFCs^[43]，相比于时间孤子，呼吸孤子的稳定性较差，这种孤子的脉冲宽度以及孤子数量都会周期性变化，并且随着呼吸强度的增强，孤子外包络呈现三角形的现象更明显；2019年，瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所在MgF₂微腔中观察并解释了一种导致反向传播孤子群速度对称破缺的新机制^[44]，这为色散波在多孤子态形成中的作用提供了新的思路；2022年，加州大学Taheri等人通过将两个具有任意大频率分离的独立激光器同时自注入锁定到两个同族腔模式和耗散克尔孤子OFCs^[45]，在MgF₂微腔中报道了离散时间孤子实验观察和理论研究，这为芯片级时间晶体铺平了道路。

基于MgF₂微腔OFCs的实现目前已取得了巨大进展，但在实现微腔OFCs的完全集成潜力之前，仍有许多工作要做，因为微腔OFCs仍然需要片上激光器、放大器和其他光纤耦合元件组合才能完成全集成。尤其是集成在芯片上的OFCs需要复杂的频率和功率调控系统才能使集成OFCs正常运行。美国加利福尼亚大学戴维斯分校联同OEwaves公司研究者研制出了Q值高达1.9×10⁹的MgF₂集成微腔^[46]，如图7所示，基于该微腔与分布式反馈（Distributed Feedback，DFB）激光器、对准透镜和驱动电路等其他器件，采用蝶形封装方式封装在单个模块中，可以实现超小尺寸集成封装的Kerr OFCs源。MgF₂微腔OFCs具有紧凑型的结构，易于集成到光电子系统中。这种集成化的特点使得MgF₂微腔OFCs在器件化方面有着显著的优势，能够满足现代光学系统对高集成度和高性能的需求。

图7  微腔OFCs封装结构^[46]

随着MgF₂微腔孤子OFCs研究的不断开展，激发孤子OFCs的实验方法也趋于多样，Herr等人^[11]通过正向扫频法在MgF₂微腔中得到孤子OFCs，即从微腔谐振频率的蓝失谐向红失谐扫频的方法，产生的具体过程如图8所示。这也是目前比较常用的方法，这种方法操作起来简单，而且在调谐过程中可以清晰地看到孤子OFCs的演化过程。在泵浦激光从腔模的蓝失谐向红失谐扫频的过程中，首先会进入“初级梳”，随后光谱会不断展宽，同时时域波形发生剧烈变化，对应腔内功率也会有较大的扰动，系统进入调制不稳定或者混沌态。随着扫频的继续进行，腔内功率会陡降并呈现台阶状变化，此时标志着进入孤子态。系统从混沌态进入孤子态产生的孤子数量是随机的，腔内功率台阶状变化对应的则是扫频过程中孤子湮灭的过程。继续扫频，孤子最终会由于失谐过大而消失，孤子台阶的长度与泵浦功率密切相关。

孤子OFCs调控中当扫过谐振峰进入红移失谐处时，进入孤子态产生的孤子数量是随机的。由于微腔的迟滞效应和快速克尔非线性，腔内谐振模式被移动并锁定到泵浦光上，而当泵浦光进一步正向扫频时，其进入有效的红失谐状态，在该状态下容易形成多孤子态，而不是直接产生具有平滑谱包络的单孤子。因为正向扫频过程中，孤子OFCs产生需经历调制不稳定态，导致产生的孤子数目随机不可控，大概率产生多孤子。反向扫频法也是调控孤子OFCs的有效方法^[47]，如图9所示，可逐渐从多孤子切换到单个孤子。这种方法是建立在正向扫频法的基础上的，即先正向扫频至孤子被激发，此时微腔中会有双谐振现象出现，即s谐振和c谐振，其中s谐振是与孤子有关的谐振，而c谐振是与泵浦激光相关的谐振，c谐振的强度要明显高于s谐振，多孤子出现后，再将微腔谐振频率由红失谐向蓝失谐反向，在扫频过程中，c谐振会向s谐振靠近，靠近至双谐振重合后立马分开，每重合一次，c谐振的强度都会降低，并且孤子数减少一个，直至单孤子出现，这个方法为单孤子的激发提供了一个很大的指导。要注意反向扫频过程中必须是绝热的，以诱导孤子数的连续减少。

图8  MgF2微腔透射谱振荡、孤子台阶及OFCs演化过程^[11]

正向扫频法和反向扫频法是基于微腔自身的克尔效应和热效应进行调谐从而产生孤子OFCs的方法。但是微腔的热效应在调谐过程中会影响OFCs的产生，因此克服微腔热效应也是很有必要的，目前在OFCs调控研究中常用的克服热效应的方法是温控调谐^[48]，即改变微腔实验环境的外部温度从而抵消微腔热效应的影响，进而控制孤子锁模频率，这种方法无需调整泵浦激光波长即可实现单孤子OFCs或多孤子OFCs的锁模状态。双泵浦热辅助光方案^[49]是对腔模热效应进行补偿的理想方案，在泵浦光相反的方向打入一束辅助光，辅助光处于另一个腔模的蓝失谐位置，此时将泵浦光调至谐振，调谐过程腔模也会发生红移。辅助光附近模式红移使腔内功率降低从而抵消泵浦附近模式红移的升温。

图9  正向扫频法与反向扫频法微腔透射功率曲线^[47]

除了扫频法，自注入锁定法也可以直接产生孤子OFCs，在自注入锁定方案中，激光器和微腔之间没有光隔离器，入射到微腔的光场会在微腔侧壁上经过瑞利散射形成背向传播的光场沿原路返回，经腔内光场反馈至激光器。当激光器在一定范围内初始失谐且满足相应的反馈相位条件时，系统会自动达到孤子态。孤子需在“红失谐”区域生成，但传统方案中调谐激光会导致MgF₂微腔冷却（腔内功率下降），引发热折射/热膨胀效应，导致谐振频率漂移、孤子丢失；而自注入锁定的反馈速度快于微腔热弛豫时间，可实时补偿热致频率漂移，抑制热不稳定性。2018年，俄罗斯量子中心莫斯科物理与技术研究所^[50]使用法布里-珀罗二极管自注入锁定到MgF₂微腔，实现了单频率、窄线宽输出，线宽压缩至自由运行状态的1/1 000以下，测得锁定后激光的洛伦兹线宽为370 Hz。提高功率后，法布里-珀罗激光二极管产生的激光有效地转换为强大的单频、超窄线宽相干孤子OFCs光源。自注入锁定法在无需额外稳频设备的情况下，稳定生成了重复频率为12.5 GHz的孤子OFCs，重复频率信号线宽约为1 kHz，通过逆傅里叶变换测得孤子脉冲宽度为220 fs。

利用光学微腔的机械形变与弹光效应也可实现OFCs的调控，这种压电调控方式不仅可逆，易于调谐，而且可实现定向调制。日本庆应义塾大学通过将超高Q值MgF₂微腔附着压电陶瓷（Pb（Zr_1-xTi_x）O₃，PZT）元件^[51]，首次实现了压电驱动的微腔孤子OFCs，实现了OFCs的直接启动、长期稳定及重复频率动态调制，获得了15.24 GHz重复频率的OFCs，压电调谐效率达27 MHz/V，稳定带宽1.5 kHz，还实现了正弦/三角/方波等任意重复频率调制（2.5~4.0 kHz动态变化），为微腔OFCs的调控提供了高精度、快速响应、紧凑型和低成本的有效解决方案。

微腔OFCs作为新一代光梳源给一系列应用带来了新的方向，MgF₂微腔OFCs最早提出的应用为微波光子方面应用。OFCs合成微波的一个优势是易于合成高载波频率的微波信号，目前无线通信带宽瓶颈问题不断显现，而传统的电学手段很难合成高载波频率微波，微腔OFCs合成高频微波信号则提供了一种解决办法^[27]。由于MgF₂微腔具有超高品质因子Q值，其合成的微波信号具有噪声低的优势。2015年，OEWaves公司Liang等人^[52]首次在MgF₂微腔上进行了微波光子实验，首先由连续光泵浦MgF₂微腔产生OFCs，如图10（a）所示，然后将该OFCs源输入光电探测器中进行拍频，可用于产生频谱纯净、低相位噪声的微波信号。拍频后得到了9.9 GHz超高纯度的射频信号，其单边带相位噪声谱如图10（b）所示，达到了-22 dBc/Hz@1 Hz、-125 dBc/Hz@10 kHz和-130 dBc/Hz@1 MHz。

图10  MgF2微腔OFCs微波光子应用^[52]

2020年，瑞士洛桑联邦理工学院Lucas等人^[53]通过进一步优化MgF₂微腔和系统性能，使相位噪声达到了-110 dBc/Hz@200 Hz、-135 dBc/Hz@10 kHz和-150 dBc/Hz@1 MHz，其微波信号在低频难以达到量子极限，主要是由于谐振腔的热噪声，以及激光幅度噪声转化到射频信号的相位噪声；2022年，北京邮电大学戴键等人^[54]通过将激光注入MgF₂晶体微腔，形成稳定的孤子状态，得到了15.38 GHz的射频信号，这种自修复特性能有效抑制噪声干扰，生成低相噪的微波信号，可达-120 dBc/Hz@10 kHz。由于孤子OFCs的低重频特性优势使得其很适合作为微波信号源，与传统电子振荡器相比，该技术具有更低的相位噪声和更高的频率稳定性，表现出小型化和低相噪的应用优势，而基于布里渊效应^[55]的孤子OFCs微波信号研究有望在孤子OFCs的基础上，进一步压缩线宽，达到更低的相位噪声^[56]，有望成为未来集成化高性能微波信号源发展的重要技术支撑。表1所示为对MgF₂微腔OFCs微波信号源的性能分析。

随着微腔OFCs研究的不断发展，其应用领域也迅速拓展开来，从光学通信的核心需求出发，高速、大容量且稳定可靠的数据传输始终是追求的目标，微腔OFCs正是实现这一目标的理想工具。其卓越的频率特性使得OFCs能够在密集的光谱中精确地定位并控制各个频率成分，从而实现高效的数据编码和解码。这不仅能够显著提升通信系统的传输效率，还能够有效增强数据传输的稳定性，为高速光通信的建设提供强有力的技术支持。在高速数据传输方面，MgF₂微腔OFCs的优异性能得以充分体现。通过精确控制OFCs的梳齿间距和线宽，可以实现高密度和低误码率的数据传输，在高速光通信中具有广泛的应用潜力。2015年，德国卡尔斯鲁厄理工学院Pfeifle等人^[58]通过理论与实验证明，在相同泵浦功率下，利用MgF₂微腔生成的图灵环模式OFCs，对应光谱域“主梳”，相干性显著优于孤子模式和混沌模式，对泵浦激光频率抖动及放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）噪声的鲁棒性最强。并基于该模式下的OFCs实现了单梳线144 Gbit/s的高速数据传输（采用16正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）），聚合速率达432 Gbit/s，且在80 km单模光纤传输中（正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）调制）仍保持误码率低于10^-7，为超高速光纤通信的紧凑型多波长相干光源提供了关键技术支撑。

立足当前数据时代对高速率通信的要求，微腔孤子OFCs的重复频率与当前商用的波分复用系统或者密集波分复用系统具有很好的兼容性，因此可显著增大通信容量。2022年，日本庆应义塾大学Fujii等人^[59]在MgF₂微腔中通过失谐稳定技术去抵消微腔的热补偿得到了低噪且稳定的孤子OFCs，此研究产生的10 GHz梳齿间隔孤子OFCs演示了极其密集的数据传输，通信速率达1.45 Tbit/s，这为微腔OFCs在通信领域的应用提供了方向。随着光通信技术的快速发展和应用领域的不断拓展，对OFCs技术的集成化和智能化也提出了更高的要求。还需要加强OFCs与其他光电子器件的集成技术研究，以实现更高效、更紧凑的光通信系统。

在精密计量方面，2023年，北京理工大学Zhang等人^[60]创新性地提出了一种基于MgF₂微腔孤子OFCs辅助微环腔的光子温度计方案，他们以Si₃N₄微环腔作为传感元件，MgF₂微腔孤子OFCs作为宽带频率基准，通过测量微腔模式与微腔OFCs的拍频信号实现了58 μK的超高分辨率；同时，创新性地提出基于反馈电压梯度的解模糊方法并结合锁频技术，在验证实验中实现了45 K的宽测量范围，解决了传统回音壁模式微腔追求高品质因子Q值时牺牲FSR与测量范围的矛盾，为芯片级精密计量相关传感应用提供了关键技术支撑。

MgF₂微腔OFCs的理论与实验都逐渐走向成熟，并且如今在微波光子、光通信和精密计量系列领域中也得到了比较广泛的应用验证。我们将MgF₂微腔OFCs和其他形式OFCs的关键指标进行了对比，如表2所示。综合来看，MgF₂材料微腔相比于其他材料微腔的品质因子Q值更高，光子在腔内传输的损耗极低，增加了光子的振荡时长，从而使OFCs激发阈值大大降低，提高了非线性产生效率。此外，MgF₂微腔透光窗口广，在中红外OFCs，甚至于远红外OFCs有着重要的应用前景。

如今，尽管MgF₂微腔OFCs的性能不断被优化，也取得了丰硕的应用成果，但其研究仍面临一些挑战，在实际应用中，MgF₂微腔OFCs的研究仍有许多问题有待解决。目前仍存在如下问题：

频谱宽度：目前MgF₂微腔OFCs产生的孤子OFCs展宽范围不宽，只有60 nm左右^[11,50]，相比于其他微腔平台，尤其是Si₃N₄微腔平台^[63]要窄不少，加州理工大学Grudinin等人^[67]通过设计精确的微结构来调控色散，虽然大幅扩大了MgF₂微腔OFCs的频谱宽度，但仍未实现宽光谱的孤子OFCs。

模式：模间串扰^[35]是MgF₂微腔中普遍存在的现象，MgF₂晶体微腔通常在数个毫米量级，激发的谐振模式会很多，模式精细度不高，激发的OFCs易引起跳模，跳模可能破坏OFCs的稳定性。

转换效率：在微腔OFCs生成过程中，单孤子OFCs转换效率通常小于1%，而多孤子OFCs转换效率通常小于5%，存在转换效率不高的问题，这是目前包括MgF₂微腔在内微腔OFCs的共有问题，如何提高MgF₂微腔孤子OFCs的转换效率是如今需解决的共性问题。

此外，怎样使MgF₂微腔在易于激发OFCs的条件下具有极高的稳定性、用更加简化的实验系统激发OFCs、提升MgF₂微腔OFCs的集成度以及MgF₂微腔OFCs的锁定等问题也是目前需要探索和优化的问题。

综上所述，MgF₂微腔是一种具有独特优势的研究领域，其结合了MgF₂材料特性和微腔光学原理，为实现高性能和高集成度的OFCs系统提供了可能。MgF₂微腔OFCs优秀的时频性质和低噪声特性使得其在微波光子、光通信和精密计量学等领域具有潜在的应用前景。本文综述了MgF₂微腔的制备工艺与封装技术，介绍了微腔OFCs的产生原理、激发阈值与演化过程，介绍了MgF₂微腔OFCs的产生、调控方法及其在微波光子、光通信和精密计量的应用前景。

如今，微腔OFCs已在各种材料平台中得到验证与产生，但MgF₂微腔OFCs具有天然负色散的特性，作为首次被证明可产生孤子OFCs的微腔平台，一直保持着多方面的优势。首先，MgF₂晶体材料缺陷少、纯度高，性能稳定，为OFCs仪器化提供了潜力；此外，MgF₂微腔OFCs在中红外OFCs，甚至于远红外OFCs中有着重要的应用前景。随着相关技术的不断发展和完善，MgF₂微腔OFCs在频谱宽度、模式和转换效率等方面不断被优化，MgF₂微腔OFCs未来有望在微波光子、光通信和精密计量中发挥更加重要的作用，甚至于在更多新兴领域发挥价值。

文献信息

基金项目：国家自然科学基金资助项目(62465014);赣鄱俊才支持计划-主要学科学术和技术带头人资助项目(20232BCJ23096);江西省自然科学基金资助项目(20232BAB212016;20224BAB202006)

作者简介：王梦宇（1992-），男，江西丰城人。副教授，博士，主要研究方向为光学微腔和微腔光频梳。

通信作者：王梦宇，副教授。E⁃mail：mengyu@nchu. edu. cn