南京大学现代工程与应用科学学院姜校顺、肖敏团队在微腔孤子光频梳中实现了孤子与背景光间的强相互作用。该强相互作用可以打破不同孤子态存在范围的简并性，从而实现单稳态单孤子光频梳的产生。基于这种新型的微腔光频梳，研究团队还实现了可100%确定性启钥操作的单孤子光频梳及低噪声微波源产生。

微腔耗散克尔孤子光频梳是在色散与非线性、损耗与参量增益双重平衡下产生的微型光频梳。通常，克尔孤子是坐落于连续背景光上的光脉冲，其在腔内传输的损耗由背景光提供的参量增益来补偿。近年来，微腔孤子光频梳由于其高重频、宽光谱、低功耗、小型化等特点，已在双光梳光谱、超快激光测距、相干光通信、光学原子钟和光学神经网络等领域中获得了广泛应用。其中，产生光谱包络光滑且形状特定的单孤子光频梳是实现其应用的关键。然而，由于孤子和背景光之间的相互作用很弱，不同孤子数的孤子态之间具有相同的连续背景光场，这导致了不同孤子态存在范围的简并性。因此，实验上往往需要通过复杂的电学或光学手段来实现单孤子光频梳的产生。

最近，姜校顺、肖敏研究团队在基于片上超高品质因子光学微腔产生的布里渊-克尔光频梳中发现通过光学参量转换非线性效应可以极大地影响腔内布里渊激光的功率，从而衰减连续背景光腔内能量，进而引起孤子与背景光之间的强相互作用（图1(a)和1(b)）。在这种强相互作用机制下，当孤子形成时，背景光能量会从光学参量振荡阈值以上降低到阈值以下且能够阻止多孤子的产生（图1(c)）。从而，打破系统中不同孤子态存在范围的简并性，产生具有单稳特性的单孤子光频梳（单稳态单孤子是指系统在特定的失谐及功率下，有且只有一个孤子的物理状态）（图2）。这种物理状态可以极大地简化单孤子光频梳的产生过程。

基于这种单稳态单孤子光频梳，研究团队进一步实现了可100%确定性启钥操作的片上单孤子光频梳（图3(a)）。该启钥孤子光频梳的产生无需复杂的相位反馈控制且对输入激光的功率不敏感（实验上，在9.5 mW -19.8 mW泵浦功率范围内均实现了启钥操作）。此外，该启钥孤子光频梳还具有窄梳齿线宽（~10 Hz，见图3(b)）、热自稳定、低噪声等优点。

基于该片上孤子光频梳，研究团队还进一步实现了低噪声的K波段（23.29 GHz）启钥微波源（图3(c)）。其相位噪声在1 kHz和10 kHz偏置频率下分别为-94 dBc/Hz和-128 dBc/Hz。

这种低噪声微波源在微波通信领域具有潜在的应用价值。

该成果以“Strong interactions between solitons and background light in Brillouin-Kerr microcombs”为题发表于期刊《自然-通讯》（Nature Communications 15, 1661 (2024)）。南京大学博士研究生张孟华、研究员丁舒林和博士研究生李新新为该论文共同第一作者，姜校顺教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目的支持。