近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室及纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”杨起帆研究员课题组提出利用色散波抑制微腔中孤子光梳量子定时抖动的新机制，并通过数值仿真和实验研究对这一机制进行了验证。2024年8月13日，相关研究成果以“微腔中孤子光梳量子定时抖动的自抑制及其基本噪声极限”(Self-Suppressed Quantum-Limited Timing Jitter and Fundamental Noise Limit of Soliton Microcombs)为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

图1. (a) 孤子光梳量子定时抖动概念图。(b) 色散波抑制孤子光梳量子定时抖动频域图像。(c) 色散波抑制孤子光梳量子定时抖动时域图像。(d) Gordon-Haus抖动、直接抖动以及被抑制后的Gordon-Haus抖动功率谱密度。

真空涨落会产生相位随机的光子，这些随机光子会耦合进入微腔，当微腔中产生了孤子光梳时，随机光子将会扰动孤子脉冲的时序，造成出射脉冲序列的不等间距，即所谓的量子定时抖动（quantum-limited timing jitter）。这一效应已经在理论上进行了分析，并且在实验上也得到了验证。在频域上，量子定时抖动则对应着孤子光梳重频的噪声，对于孤子光梳的许多应用如精密测量、微波合成、数据传输等都有着负面的影响。因此如何抑制孤子光梳的量子定时抖动有着十分重要的意义。

课题组提出可以借助色散波有效抑制孤子光梳的量子定时抖动，这一方案方便操作，且具有普适性。抑制机制的基本原理如图1(b)所示，量子噪声主要通过扰动孤子脉冲的载波频率从而影响孤子脉冲在微腔中传播的速度来导致量子定时抖动。若考虑色散波参与这一过程，当孤子光梳重频被量子噪声扰动的时候，色散波模式与对应梳齿之间失谐也会随之变化，由此带来色散波功率的变化。由于色散波会对孤子光梳的频谱中心产生反冲效应，即光谱的中心偏移泵浦频率，且偏移量与色散波的功率成正比。因此，上述过程将会通过频谱反冲效应负反馈量子噪声带来的载波频率抖动从而抑制孤子光梳的量子定时抖动。

为了定量研究量子定时抖动抑制机制，基于单模色散波的模型，课题组对带色散波孤子光梳的量子定时抖动进行了理论分析，建立了如图1(c)所示的时域模型。色散波的参与会在孤子光梳量子定时抖动过程中引入一个额外的粘滞阻尼力，从而有效抑制量子定时抖动。为了验证这一理论模型，课题组推导了噪声抑制因子与泵浦条件之间的关系，并在数值上基于上述模型进行仿真，最终数值仿真结果和理论分析吻合良好。此外，在仿真中还发现量子噪声引起的孤子光梳直接抖动(Direct jitter)并不能被色散波抑制，直接抖动应该被考虑为孤子光梳的最终基本噪声极限。

最后，课题组设计实验对这一抑制机制进行了验证。该实验的挑战在于通常情况下经典噪声远大于量子噪声，量子定时抖动通常被其他噪声源给淹没。为了克服这一挑战，在实验上一方面课题组通过调节泵浦激光器与腔模之间的失谐来达到一个较低噪声的孤子态，另一方面通过人为注入放大自发辐射(ASE)噪声来放大量子噪声的影响，结合这两种方法可以将放大的量子噪声抬出经典噪声本底。最终，实验测量的带色散波孤子光梳的量子定时抖动比没有色散波的理论预期和数值仿真低18 dB，为色散波抑制孤子光梳量子定时抖动提供了有力的证明。

北京大学物理学院2021级博士生金星，2020级本科生吕喆和2019级博士生姚璐为论文共同第一作者。杨起帆为该论文的通讯作者。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金及人工微结构和介观物理国家重点实验室和纳光电子前沿科学中心的大力支持。

论文原文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.073801