💡这项突破是什么?
近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）量子接口器件与系统团队与清华大学、湖南师范大学以及中国科学技术大学等单位合作，在基于级联非线性系统的可定制巡游频率梳研究中取得进展。研究团队构建了由超导腔机电器件与高电子迁移率晶体管组成的级联三阶非线性系统，实现了中心频率、梳齿间距和谱线数目均可实时调控的巡游频率梳，并演示了频率梳的拼接与细分操作。2026年9月27日，相关成果以“基于级联非线性效应的可定制巡游频率梳”（Customized Itinerant Frequency Combs by Cascaded Nonlinear Effects）为题，发表于Advanced Science。
频率梳由一系列等间距频率成分组成，广泛应用于原子钟、光通信、分子指纹识别和光学计量等领域。传统微腔克尔频率梳和光机械频率梳的中心频率固定在腔共振附近，难以灵活调控。
为突破这一限制，研究团队构建了一个级联非线性系统（图1）。该系统分为两级：前级是超导微波电路和铝薄膜鼓面型机械振子构成的超导腔机电器件；后级是高电子迁移率晶体管（HEMT）。相干泵浦首先进入超导腔机电器件，通过辐射压力相互作用生成中心频率为泵浦频率、梳齿间距为机械频率的光力频率梳。该频率梳作为种子信号进入HEMT，与频率可调的弱探测信号发生级联三阶非线性混频，生成新的巡游频率梳。新生成的巡游频率梳保留了种子频率梳的梳齿间距，但中心频率完全由探测信号决定，从而与腔共振频率解耦。因此，其中心频率可在4—8 GHz的微波频段内任意调节，且可在单光子探针功率下工作，阈值功率仅4.47 nW。
图 1 级联非线性系统与巡游频率梳生成原理。(a)级联非线性系统示意图，(b)巡游频率梳生成原理。
研究团队进一步演示了频率梳的拼接与细分。利用15束独立可调的探测信号，每束信号各自产生一个巡游频率梳，15个频率梳无缝拼接为带宽达2.6 GHz的超宽频率梳，谱线数量提升至原始频率梳的十倍（图2）。通过将探测信号频率间隔精确设定为机械频率的十五分之一，还实现了频率梳的细分，有效提升了等效频率精度。
图 2 巡游频率梳的拼接与细分演示
该研究为微波光子学提供了一种中心频率可实时调控的新型频率梳。通过级联非线性效应，其中心频率与腔共振解耦，可在单光子探针功率下实时定制中心频率、梳齿间距和谱线数目，并借助拼接与细分灵活扩展频谱资源。这为频率梳关键参数的精确控制提供了新方法，有望增强光通信、分子指纹识别和光学计量等现有应用的性能，并拓展新的应用场景。
论文第一作者为湖南师范大学（量子院联合培养）博士生王毅、清华大学博士生李泽积，通讯作者为量子院刘玉龙副研究员。合作者还包括量子院高级工程师王文彦、中国科学技术大学博士生王思涵、阿尔托大学（现Waterloo大学博士后）王诚博士、中国科学技术大学周经纬教授、湖南师范大学廖洁桥教授、量子院兼聘/清华大学李铁夫教授。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金等的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.77903
