光学频率梳是具有等频率间隔、高相干性光谱的新型梳状多波长光源，在宽带相干光通信、精密光谱测量、微波光子学、时间频率基准等领域有重要应用。基于片上集成微腔的孤子光频梳（Soliton Microcomb）凭借小型化、低噪声、高集成度等突出优势，成为新一代光子器件的核心研究方向。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激发，该过程易受微腔热光效应影响，导致孤子极易湮灭，严重制约了系统的稳定性。虽然双波长窄线宽激光器泵浦热补偿法可以稳定产生孤子光梳，但泵浦系统成本高昂、控制过程复杂。为解决上述问题，近年来学界提出基于半导体激光器与微腔之间自注入锁定（Self-Injection Locking, SIL）效应的“启钥孤子”（Turnkey Soliton）方案，通过直接开启与微腔对接耦合的LD即可实现孤子光梳的快速自发演化生成，避免了复杂的扫频过程及热效应干扰，显著简化了系统结构及调控过程。然而，在单腔中利用自注入锁定产生单孤子光梳目前仍存在泵浦能量转换效率低下（转换效率仅1%-3%）、梳齿频率间隔固定不易调节等关键短板，严重制约了微腔光梳的实用化进程。
近日，中国科学院半导体研究所光电子材料与器件全国重点实验室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/孤子晶体光梳产生理论及方法创新中取得了重要研究进展：对两种特定耦合腔中自注入锁定产生孤子及孤子晶体光梳非线性动力学进行了系统深入的理论研究和数值仿真验证。针对双环耦合微腔结构，仿真结果表明其调谐曲线上存在显著的锁定区域分裂现象，该特性主要由两环之间的能量耦合系数与中心频率差决定。通过合理设计参数，在主环半径为辅助环五倍的结构中，利用“启钥”方法可实现单孤子光频梳的高效激发，能量转换效率可达 49%。针对 U 型波导反馈干涉耦合腔系统，研究发现自注入锁定效应可有效诱导孤子晶体（Soliton Crystal）的产生；通过调节耦合腔传输相位，可实现孤子数目在 4 – 8 之间连续可调，对应的能量转换效率为 67% – 88%，通过色散工程可进一步提升孤子数目上限。研究发现，在特定环形相位配置下自注入锁定效应会消失，揭示了系统对称性与反馈相位在锁定过程中的关键作用。该研究成果为高能量转换效率且梳齿频率间隔可灵活调控的片上集成孤子晶体光频梳的发展和工程实用化提供了新思路并奠定了理论基础。
该研究成果以“Turnkey Soliton Microcombs via Self-Injection Locking in Dual-Coupled and Interferometric Microring Systems” 为题，发表在《激光&光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）上。半导体所为第一完成单位，半导体所硕士研究生尹北辰为第一作者，半导体所陈少武研究员为第一通讯作者，南开大学文花顺教授为共同通讯作者。该工作得到了科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目子课题（2023ZD0300804）、国家自然科学基金(62175229)、航空科学基金 (20230022036001)等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.72043
图1 (a) 非线性稳态调谐曲线，(b) 主环腔内能量曲线，(c) 关闭SIL反馈（带隔离器）时的能量曲线；参数：F = 1.86，ϕB = 0.15π，Φ = 0。紫色实线表示前向动态扫描路径。(d) 腔内场强分布随时间的变化，参数为F = 1.86，ϕB = 0.15π，Φ = 0，ᾱL = 3。(e–g) αM(t)、转换效率、主环腔内功率、总输出功率Pout、输出端泵浦模式功率P0以及净组合输出功率Pcomb = Pout − P0的变化情况。(h,i) 初始阶段（
