在连续激光驱动的非线性微腔中，光场可以形成稳定循环的超短脉冲，即耗散克尔孤子。这类脉冲在频域中对应一组等间隔、相位关联的梳齿，是构建芯片级光学频率梳的重要基础，可用于光通信、精密光谱与时频测量。

然而，孤子脉冲能量低、频谱宽，准确测量单个脉冲的宽度及多个脉冲之间的时间间隔仍有困难。传统超快表征往往需要光学放大与精细的色散补偿，测量链路本身却可能引入波形失真。因此，减少这些处理带来的干扰、准确测量孤子产生时的时间结构，是微梳研究中的一项重要课题。

针对这一难题，电子科技大学、天府绛溪实验室、西南技术物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国人民解放军军事科学院系统工程研究院及中国科学技术大学组成的研究团队于2026年11月6日在《Science Advances》发表题为“Quantum-interference metrology of dissipative Kerr solitons”（耗散克尔孤子的量子干涉测量）的研究论文。范云茹为第一作者，周恒教授、Kai Guo与周强教授为通讯作者，郭光灿院士参与研究。

研究团队基于Hong–Ou–Mandel干涉（HOM干涉）建立了孤子量子干涉测量方法。通过将孤子脉冲衰减至单光子水平并测量四阶干涉，无需对待测信号进行光学放大或色散补偿，即可提取83.4±2.1飞秒的本征脉宽，接近傅里叶变换极限。在两路波包经历相同色散的条件下，经过25公里标准光纤传输后仍能保持准确。同一干涉曲线还可将孤子间隔映射为不同延迟处的凹陷，以亚皮秒分辨能力读取多孤子态的相对时间结构。研究在单至四孤子态中完成实验验证，为弱光条件下的超快脉冲诊断和复杂孤子研究提供了新工具。

利用HOM干涉提取脉宽与孤子间隔

HOM干涉能够将光子波包的重叠程度转化为符合计数的变化。当两个理想、不可区分的单光子分别进入平衡分束器的两个输入端时，双光子干涉使它们从同一个输出端离开，两个探测器分别记录到光子的符合概率随之降低。扫描两路光的相对延迟，便可得到一个“HOM凹陷”，其形状和宽度携带着波包的时间信息。

为利用这一效应表征微腔孤子，研究团队将孤子光衰减至单光子水平，通过单光子探测记录符合计数。衰减后的光仍属于弱相干光，其中的多光子成分将原始干涉可见度的理论上限限制为50%。不过，脉宽信息主要由干涉凹陷的宽度反映，因此仍可通过波包重叠测量提取，无需依赖高功率下的非线性响应。

建立可观测的干涉信号后，关键在于确定凹陷宽度与孤子脉宽的对应关系。对于强度包络近似为双曲正割平方的孤子，研究人员推导出：孤子的强度半高全宽约等于HOM凹陷半高全宽除以1.69。因此，扫描延迟并拟合干涉曲线，即可按相应模型换算出孤子的本征脉宽；其他波形则需要采用各自的换算关系。

这一测量关系在共同色散条件下仍可保持，原因是两路波包共有的光谱相位在重叠计算中相互抵消。即使光纤传输已使强度包络展宽，HOM干涉仍能提取与原始频谱对应的变换极限时间尺度。因此，对近似无啁啾的孤子，可以据此恢复其本征脉宽。两路色散失配仍会影响测量；对于原本带啁啾的脉冲，测得的变换极限时间尺度也不能直接等同于其实际脉宽。

在单孤子脉宽测量的基础上，研究团队进一步将分析扩展至多孤子态。当扫描延迟与两个孤子之间的时间差相匹配时，干涉曲线便会出现相应的侧凹陷。这样，同一条曲线便包含两类信息：凹陷宽度反映单个孤子的时间尺度，侧凹陷位置反映孤子之间的两两间隔。结合腔往返周期，即可分析多个孤子在微腔内的相对时间结构。

图1 耗散克尔孤子量子干涉测量原理

微腔孤子产生与单光子干涉测量

为验证上述测量原理，研究团队采用氮化硅微环谐振器产生孤子，微环的自由光谱范围约为100吉赫兹，对应10皮秒的腔内往返时间。辅助激光加热用于抑制孤子产生过程中的热扰动，使泵浦激光能够稳定进入孤子存在区间。随后，滤除残余泵浦光和辅助光，把孤子输出送入HOM干涉测量链路。

两路可变衰减器将光强调至相同的单光子水平，偏振分束器保证偏振匹配，可变光学延迟线则以10飞秒的调节精度扫描相对延迟。输出端由两只超导纳米线单光子探测器记录事件，再由时间数字转换器统计符合计数。时间分辨能力主要通过精密的光学延迟扫描与干涉曲线拟合获得，因此不要求探测器直接逐点追踪飞秒强度波形。

从单孤子脉宽到多孤子时间结构

（一）单孤子脉宽测量与抗色散验证

研究团队首先测量单孤子态。其光谱的半高全宽为31.3纳米，对应80.6飞秒的傅里叶变换极限脉宽。未加入额外色散时，实测HOM凹陷宽度为140.9±3.6飞秒，原始干涉可见度为42.94±0.94%。按孤子模型换算后，得到83.4±2.1飞秒的本征脉宽，与光谱推算结果接近。

为检验传输色散对测量的影响，研究团队在光路中加入25公里G.652标准单模光纤。测得的HOM凹陷宽度为144.7±4.5飞秒，与加入光纤前的结果在误差范围内一致，表明该方法在共同色散条件下仍能稳定测量孤子的本征脉宽。这里保持稳定的是测量结果，光脉冲在光纤中仍会因色散而展宽。该方法的好处是，无需额外进行色散补偿，也能避免将传输造成的展宽误认为孤子产生时的脉宽。

研究团队还逐步缩小光谱滤波带宽，检验不同光谱条件下的测量表现。带宽由4太赫兹减至1太赫兹时，HOM凹陷宽度由244.6±12.6飞秒增至885.2±44.2飞秒，整体符合频谱变窄、脉冲时间尺度变长的规律。滤波后采用相应波形模型分析所得的结果，也与光谱推算的时间尺度较为一致。

图2 单孤子的HOM时间表征结果

（二）多孤子态的相对时间间隔测量

在多孤子态实验中，研究人员分别测量微腔内存在1、2、3和4个孤子的状态，记录各自的光谱与HOM干涉曲线。相对延迟的扫描范围为−5至15皮秒，覆盖微腔的10皮秒往返周期及其附近区域，用于比较不同孤子数量下的脉冲间隔。

单孤子态的干涉凹陷约每10皮秒重复一次，与腔内往返时间一致。微腔中出现两个孤子时，曲线中的附加凹陷给出4.32皮秒的时间间隔，另一个5.68皮秒间隔与其相加正好对应一个往返周期。三孤子态和四孤子态中则分别识别出2.00和1.50皮秒的特征间隔。根据这些时间差，可以分析多个脉冲在同一往返周期内的相对排布。

对于更复杂的未知结构，完整重建仍需结合周期性和脉冲模型等约束。侧凹陷记录的是脉冲之间的时间差，不能将每个凹陷直接视为一个独立孤子的位置。 

图3 多孤子态的时间结构测量

相关研究

HOM干涉在精密测时中的应用、微腔孤子的稳定产生和量子干涉验证，为此次研究奠定了基础。2018年，英国赫瑞瓦特大学、格拉斯哥大学及华威大学的Ashley Lyons等人，在《Science Advances》将统计估计方法引入HOM干涉，实现双臂结构下数阿秒量级的时间延迟估计精度，展示了符合计数用于精密测时的潜力。

2019年，电子科技大学邱昆教授领导的光通信研究团队在《Light: Science & Applications》提出辅助激光加热方案，改善微腔热稳定性并实现确定性孤子产生，为稳定研究孤子提供技术基础。

2025年，中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学技术大学、国防科技大学等单位的团队，在《Science Advances》基于两个独立孤子微梳实现50对梳齿的并行HOM干涉，平均可见度超过46%，验证了微梳支撑多通道量子信息处理的能力。此次工作进一步把HOM干涉用于测量孤子自身，将波包重叠与本征脉宽、孤子间隔联系起来。

总结与展望

量子干涉将单光子探测的灵敏度与对共同色散的鲁棒性相结合，为低能量微腔孤子的时间表征提供了新方法。随着测量对象扩展至更复杂的孤子态，较弱的侧凹陷更易受到符合计数统计涨落的干扰，相邻凹陷也可能重叠，因此仍需提高脉冲间隔的分辨能力。

面向孤子分子、孤子晶体及驱动耗散系统的动力学研究，后续还需缩短扫描和数据采集时间，并验证光路失配及非理想脉冲条件下的测量可靠性。通过结合可集成干涉器件、低损耗光路与稳定延迟控制，有望提升微梳诊断的实用性；进一步引入频谱相位测量和快速采样技术，则可探索对复杂脉冲及瞬态过程的更完整表征。