基于电光效应（泡克尔斯效应）的电光脉冲与频率梳是相干通信、微波光子学、精密计量、光子互连与量子信息等应用的核心。其中，基于光学微腔的电光频率梳通过在微腔中引入相位调制来产生光频梳：当泵浦光在微腔中穿过微波驱动的相位调制器时，微波引起的电光耦合会生成新的频率分量（被称为边带）。光学微腔放大了这一效应，从而能够提供生成超大频谱展宽的光频梳，因而备受关注。另一方面，微波驱动的相位调制等效的在不同频率模式之间形成了电光耦合，为合成维度研究拓扑、非厄米物理等系统打下了坚实基础。但长期以来。微腔电光频梳一直停留在弱耦合工作区域（即调制引起的等效耦合强度远小于腔中模式的自由光谱程），导致梳形与脉冲形态对泵浦波长异常敏感，系统必须依靠严格的共振锁定与精细的温控与反馈才能维持稳定输出，这在复杂环境与大规模部署中代价高昂、可靠性受限。同时，从物理角度来讲，相位调制引起的电光耦合仅仅施加单一的紧邻耦合相互作用，大大的限制了合成维度这一领域的丰富物理研究。基于此问题，6163银河线路检测中心胡耀文、龚旗煌团队与哈佛大学Marko Loncar团队合作，首次在理论上提出了强耦合电光梳概念：即相位调制引起电光耦合可以远大于腔的自由光谱程（free spectral range, FSR）。这一情形下类似于腔量子电动力学中，光场与原子的耦合强度可以远大于腔的自由光谱程，使得系统涌现出全新现象。团队研究表明，当系统跨过强耦合阈值，电光频梳系统中会出现多个长程相互作用（仅依靠单频微波调制），产生多脉冲态。并由此推导出对泵浦失谐鲁棒的电光梳生成机制，为片上可编程脉冲源提供了更稳健的物理路线与工程路径。文章第一作者为6163银河线路检测中心雷天琦和哈佛大学宋云翔，通讯作者为6163银河线路检测中心胡耀文和哈佛大学Marko Loncar。

一、问题与思路：从弱耦合瓶颈到强耦合范式

弱耦合腔式电光梳的核心矛盾在于：腔体提供了高品质因子与显著光场增强，却也引入了对泵浦波长的尖锐选择性；任何微小漂移都会导致增益与相位条件被破坏，工程上只能通过复杂锁定机制来“兜底”。而在大量并行源、长时间运行与多温区环境下，这些附加系统会迅速抬高功耗与维护成本。强耦合电光梳改变了弱耦合腔式电光梳的耦合图景：不再让电光调制仅在最近邻腔模之间“跳跃”，而是以足够强的耦合跨越能级差，使远邻模也被有效耦合。直观地说，系统获得了更“通透”的频域交通网络，泵浦即便不在最理想的共振位置，也能经由多条耦合通道把能量分配到合适的模式，维持稳定的电光频率梳（图1）。这一改变使得腔式电光梳的维持稳定不再需要依赖复杂的外部锁定，加速片上集成与量产落地。

图1：强耦合腔电光调制示意图。

二、强耦合的物理图像与泵浦失谐鲁棒性

在强耦合腔式电光梳中，电光调制不再局限于最近邻模式，而是在离散腔模之间建立长程相互作用。强耦合打破了传统腔电光调制的紧束缚近似模型和其对应的经典正弦能带结构，并诱发了能带重叠与跨带跃迁（图3）--原本阻断能量流动的禁带被打开，系统对泵浦波长的依赖性显著降低。与弱耦合相比，这一“全导通”状态带来两项直接收益：其一，梳振荡可在非共振乃至任意失谐附近保持；其二，梳形对环境波动的敏感度明显下降（图4）。由此，具备泵浦波长鲁棒性的强耦合腔式电光梳不仅提供更宽容的工作窗口，也使外部锁定与温控系统得以简化，整体工作状态更加稳定可控。

图2：强耦合腔电光调制的物理图像。

图3：强耦合腔电光调制诱导能带重叠。

图4：泵浦失谐鲁棒的强耦合腔电光梳。

三、应用前景：泵失谐鲁棒的片上可编程电光脉冲源

依托强耦合带来的泵失谐鲁棒性，这一电光梳未来在多域场景中具备直接价值：通信与光互连方面，泵失谐鲁棒性便于在受限功耗与体积的场合部署；光计算与可编程光子学方面，稳定的片上梳源提升卷积、矩阵运算等光计算器件的稳定性；精密计量与微波光子方面，平顶梳与可控脉冲结构有助于紧凑型参考源与任意微波波形生成的片上化；在新型物理与量子方向，强耦合驱动下的长程耦合为拓扑/非厄米工程以及量子纠缠的制备与操控提供新路径。

总结

本工作首次提出强耦合电光梳，以其为核心，为腔电光调制建立了统一的物理描述与工程化设计路径：对多脉冲、振荡包络等新型腔电光调制现象给出统一计算范式。凭借强耦合效应带来的宽带且对泵失谐更具鲁棒性的腔电光频率梳与电光脉冲合成能力，这一可编程电光脉冲源在通信与互连、光计算、精密计量与微波光子学、量子信息及新型物理平台的主动调控中具有重要而广泛的应用前景，有望成为下一代通信、计算与计量系统的通用片上源组件之一。

论文信息

Lei, T., Song, Y., Xue, Y. et al. Strong-coupling and high-bandwidth cavity electro-optic modulation for advanced pulse-comb synthesis. Light Sci Appl 14, 373 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02046-y