10月6号， Nature子刊《Nature Communications》发表题为“Boosting silica micro-rod Q factor to 8.28 × 109 for fully stabilizing a soliton microcomb“的学术论文。研究团队提出了一种定量分析微腔损耗和提升微腔品质因子（Q因子）的创新方法，实现了二氧化硅微棒腔8.28 × 109的超高本征Q因子，逼近理论极限。进一步地，将该超高Q因子微腔作为集成频率参考，实现了孤子微梳的全稳定。

该论文由北京邮电大学信息与通信工程学院，信息光子学与光通信全国重点实验室联合电子科技大学、中国电子科技集团公司信息科学研究院、集成电路与微系统全国重点实验室等单位完成。北京邮电大学信通院博士生潘廷炀为第一作者，北京邮电大学杨大全教授、黄善国教授等为本文共同通讯作者。

光学微腔能够在空间和时间维度上限制光场，其核心指标——品质因子（Q因子）决定了光子谐振寿命。Q因子越高，光与物质相互作用越强，可大幅提升腔内功率、降低非线性效应阈值，是构建精密激光光源、光学频率梳的核心载体。微腔的本征损耗由辐射损耗、散射损耗、吸收损耗以及污染物损耗构成（如图1a所示）。目前，减轻辐射、散射以及吸收损耗等策略是提升Q因子的主流方法。然而，二氧化硅微腔的本征Q因子（Q0，通常在108量级）仍远低于理论极限（Qabs，通常趋近1010量级）。因此，定量分析和表征影响微腔Q因子各种损耗贡献，和去除污染物损耗，是进一步提升Q因子最重要也是最终的关键一步。

图1 微谐振器中的本征损耗、微腔实物图及腔内损耗量化分析

本工作以二氧化硅回音壁模式（WGM）微腔作为研究平台（如图1b所示）。通过系统量化分析腔内各类损耗的贡献比例（如图1c所示），发现Qabs: 1.3×1010;Qsca: 3.75×108;Qcont: 1×109。根据理论计算和实验测量，精确地显示，在二氧化硅WGM微腔中，污染物损耗是限制Q因子提升和长期稳定保持的主要因素。为了提高微腔的Q因子，研究团队通过巧妙的两步激光抛光与氮气热处理技术（如图2所示），显著降低了表面粗糙度（散射损耗）与污染物附着（污染物损耗），最终将Q因子提升至8.28 × 109，并长期稳定在7 × 109，实现两个数量级的提高，逼近理论极限（1.2×1010）。此外，本文的技术方案具备良好的可拓展性，研究团队已成功将其应用于二氧化硅微球腔、片上Toriod腔及氟化镁腔等多种微腔平台的Q因子提升中。

图2 通过两步激光抛光和氮气热处理提高Q因子

进一步，为了验证该超高品质因子微腔的实际应用潜力，研究团队对超高Q微腔完成了小型化封装，并作为高相干光学频率参考成功实现了对片上孤子微梳系统的全稳定反馈，实验结果显示，该系统在泵浦频率处实现了超过45.2 dB的相位噪声抑制，重复频率处的相位噪声抑制超过60.6 dB（如图3所示），展现出优异的频率稳定性和抗干扰能力。

图3 利用超高Q因子微腔实现片上孤子微梳的全稳定方案和相位噪声抑制性能

本研究提出了一种定量分析、表征和提升微腔品质因子的方法，并将其应用于集成光学频率梳的锁定。通过定量表征并有效抑制各类损耗，特别是长期被忽视的污染物损耗，实现了Q因子从107量级到109量级（8.28 × 109）的跨越，逼近理论极限。据此，以Q增强微棒腔为频率参考，实现了高性能的全稳定孤子克尔微梳。这不仅深化了对微腔内损耗机制的理解，也为超高Q因子微腔光子器件在精密测量、量子感知等应用领域提供了强有力的技术支撑。

该项研究得到了国家重点研究计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及信息光子学与光通信全国重点实验室的大力支持。

（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63954-6 ）