科学家研发世界首例基于薄膜铌酸锂光芯片的超快锁模激光器，实现超短脉冲和高功率输出，峰值功率大于0.5瓦特
“这项研究展示的超快锁模激光设计和工作原理新颖独特。在薄膜铌酸锂芯片上实现电泵浦超快激光将显著扩大该领域的潜力，并对光子学和其他领域具有非常重要的意义。”
这项被审稿人给予高度评价的研究，来自美国纽约市立大学和美国加州理工学院团队。他们展示了世界首例集成在薄膜铌酸锂光芯片上的具有高脉冲峰值功率的电泵浦锁模激光器。
图丨Science 当期封面（来源：Science）
在这项研究中，研究人员巧妙地融合了三五族半导体的高激光增益和薄膜铌酸锂优异的电光特性，通过混合集成的方式制造出片上锁模激光，实现了高功率超短脉冲激光输出。
值得关注的是，该激光器在 1065 纳米左右产生了重复频率为 10GHz，宽度为 4.8 皮秒的超短光脉冲，其脉冲能量大于 5 皮焦耳，峰值功率大于 0.5 瓦特。“截至目前，我们的激光输出脉冲能量和峰值功率，均为纳米光子学平台下锁模激光器的最高水平。”表示。
图丨郭秋实（来源：）
凭借其高输出峰值功率和精确的频率控制能力，该锁模激光器有望构建出完全片上集成的超快非线性光学系统，从而实现频率完全锁定的光频梳、超连续谱光源和原子钟等。这将极大地推动光通信、医学成像、精准测量、计算等领域的发展。“从更长远来看，该片上锁模激光器或可在相干通信、精准计时、精准测量领域具有不可替代的应用。”说。
以原子钟为例，如今在 5G 通信、信息处理、导航、金融交易、分布式云计算以及诸多国防应用等领域，都依赖精准计时或时间同步的功能。在导航方面，有时仅几十亿分之一秒的时间误差，便或许导致位置导航偏离一米甚至更多。相比于其他技术，原子钟能根据最高精确度的原子振荡实现精准计时。
但传统的锁模激光器和原子钟需要一系列复杂、大型、成本高昂的装置，无法便携应用。如果片上锁模激光和超快光学系统能够锁定在当频率锁定在原子振荡上，会改变很多领域的现有格局。他举例说道：“例如，在手机等便携平台的原子钟能够在无 GPS 的情况下，实现精准定位和导航，芯片级原子钟也可用作高速处理器芯片的精准时钟。”
图丨相关论文（来源：Science）
近日，相关论文以《铌酸锂纳米光子学超快锁模激光器》（）为题，作为封面论文在 Science 发表[1]。纽约市立大学先进科学研究中心助理教授为该论文第一作者兼共同通讯作者，加州理工学院助理教授阿里雷萨·马兰迪（）为论文共同通讯作者。
在薄膜铌酸锂芯片实现电泵浦超快激光
激光器锁模可以分为被动锁模和主动锁模两种机制。研究人员在激光谐振腔内加入基于薄膜铌酸锂的电光相位调制器（如下图 A 所示），实现了激光的主动锁模。
图丨集成铌酸锂片上锁模激光的工作原理和器件效果图（来源：Science）
当频率为 fm 的正弦射频信号加载在相位调制器上时，由于电光效应，铌酸锂的折射率会周期性地发生变化。解释道：“这等效于周期性地改变激光谐振腔的长度。我们可以想象激光谐振腔有一面在 fm 频率下正弦震动的‘移动端镜’，当腔内的光脉冲信号击中处在运动状态中的端镜，并被反射回来时，其光频率会产生多普勒频移。这时，光脉冲在激光腔无法保持稳态。”
但如果光脉冲恰好能击中处在振幅最大处的端镜（如上图 B 所示），光脉冲在腔内多次往返的过程中，积累的啁啾被激光腔内的色散抵消，光脉冲的损耗也会被激光增益补偿。在这种情况下，光脉冲可以在激光腔内保持稳态。这种锁模条件需要相位调制的时间周期与脉冲，在腔内往返时间形成良好的匹配。从频率角度来看，这也说明激光腔内的纵模可以在相位调制器的作用下实现相位锁定。
图丨工作状态下的薄膜铌酸锂片上锁模激光（来源：）
在测量薄膜铌酸锂锁模激光时，研究人员还观察到与传统的锁模激光器不同的特性。例如，传统基于主动锁模机制的固体和光纤锁模激光，只能在非常有限的外部调制频率范围内实现锁模。一旦外部调制频率超出相关范围，激光输出的光脉冲之间便失去了固定的相位关系（失去相干性）。
然而，该锁模激光在广泛的调制频率范围（200MHz）内，都能产生相干的脉冲。“这说明，我们的激光相比于传统的主动锁模激光，具有很大的脉冲重复频率可调谐范围。”表示。
此外，他们还发现，调整激光的泵浦电流或调制频率，均能够显著改变脉冲激光器的载波频率、和脉冲重复频率。这意味着，操控该锁模激光器的手段多种多样。通过精确地反馈控制激光的泵浦电流或调制频率，可精确地控制激光的脉冲重复频率和载波频率，从而实现能够精准控制频率的光频梳，这对精准频率测量方面的应用具有重大的意义。
超短脉冲，高峰值功率激光助力片上超快非线性光学系统
目前在光芯片上，已有多种技术手段可实现超短光脉冲，例如基于克尔效应的光频梳或基于电光效应的光频梳和时间透镜等。在研究过程中，反复思考一个问题：运用片上锁模激光产生光脉冲的优势在哪里？我们可以用它来解决哪些领域内的“痛点”？
随着研究的深入他逐渐意识到，锁模激光产生脉冲的机制与其他技术存在本质的区别，这也决定了该研究在应用上与其他技术的差异性。
从频域的角度来看，虽然上腔内模式之间的相互注入和相位锁定，与电光频率梳、时间透镜等片上超短脉冲光源有类似之处。但锁模激光产生的频率“梳齿”，会在增益介质的作用下不断增强并发生激射（lasing）。
而在电光频率梳中，频率边带通过从泵浦激光线中分散能量产生。这一特点决定在时域上，锁模激光产生光脉冲峰值功率更高，并能显著高于激光输出的平均功率。例如，该研究中证明的锁模激光平均输出功率为 0.05 瓦特，但峰值功率可高达 0.5 瓦特。
这种特性是其他技术手段难以实现的，因此，锁模激光适用于需要高峰值功率的相关应用，例如构筑全片上超快非线性光子学系统。表示，“非线性光学效应普遍比较弱，我们迫切需要一种具有高峰值功率的片上脉冲激光，去驱动这些片上非线性效应，实现脉冲压缩、频率转换等功能。”
另外，基于克尔效应的光频梳往往需要极高品质因子的片上光学腔实现，这对微纳加工工艺以及光芯片的温度控制等有极其苛刻的要求。克尔光频梳产生脉冲的重复频率也往往较高，不利于实现高分辨率光谱学和微波信号合成等应用。而利用锁模激光产生脉冲的方式，并不受这些技术问题的困扰。
三五族半导体和薄膜铌酸锂的“强强联合”，将带来怎样的未来？
当下芯片半导体激光器的主流，是基于三五族半导体基底（例如磷化铟基底）的连续波分布式反馈激光器和分布式布拉格反射激光器。它们往往作为分立元件和其他片上的光学元件，例如调制器、探测器组成光模块大规模应用于数据中心和光通信。
然而，异质集成在硅或其他纳米集成光学平台上的三五族半导体激光器，相对比较前沿。该方向在全球范围内依然面临诸多挑战，例如激光加工制程复杂、良率较低、器件发热、一致性相对难以控制等。
除了上述技术挑战，另一个关键的科学问题是：当科学家将三五族半导体激光器异质集成在其他材料平台上后，能否借助其他材料带来的优异光电特性，弥补三五族半导体本身的短板，或者实现更新的功能？
传统的半导体锁模激光器通常将增益区和饱和吸收体（锁模元件）集成在同一三五族半导体芯片上。由于三五族半导体的复杂的载流子动力学，激光只能在很窄驱的泵浦电流工作区实现超短脉冲产生，这不利于实现高功率的激光输出。但该研究通过利用薄膜铌酸锂作为主动锁模元件，将三五族半导体高功率输出的能力充分地释放了出来。
图丨薄膜铌酸锂片上锁模激光的超短脉冲输出（来源：Science）
认为，结合三五族半导体与铌酸锂两种平台的卓越特性是未来集成光子学研究的发展趋势，也会带来一些新机会。近期，一些国内外的相关研究已证明将三五族半导体的激光和薄膜铌酸锂的电光效应结合，能够制备频率快速大范围可调的激光器，还有更小型、更大容量的用于光通信的光接收机或新型激光雷达等。
他表示，其更感兴趣的是，如何将三五族半导体和薄膜铌酸锂的非线性和电光效应结合，构筑未来的片上超快非线性光子学系统，应用于超快和超快成像、生物成像、精准测量、量子信息、超快光子计算等领域。
传统的非线性光学系统往往需要高功率、体积庞大、极其昂贵的激光器和离散的非线性光学元件，例如非线性光纤或晶体等。由于这些限制，超快非线性光学的应用长期以来没有被广泛地应用于日常生活。虽然实现片上超快非线性光子学系统一直以来是该领域的愿景，但其中的主要难题之一，是大多数非线性光学效应通常需要较大的输入光功率，例如频率转换、超连续谱产生、脉冲压缩等，而在光芯片上实现这一点充满挑战。
在加州理工学院从事博士后研究阶段，在薄膜铌酸锂、集成光学及非线性光学领域已取得系列成果。例如，利用薄膜铌酸锂纳米光学的二阶非线性光学效应，证明在集成光学平台上迄今为止最快（46 飞秒）、超低能耗（80 飞焦）的全光开关[2]。并在薄膜铌酸锂平台上，实现了具有极高增益（100dB/cm）、极大增益带宽（600nm）的光学参量放大器[3]，大范围频率可调光学参量振荡器[4] 和目前集成光学领域指标最高（4.9dB）的量子压缩[5]。
这些研究证明了借助周期性极化薄膜铌酸锂强大的二阶非线性光学效应，很多超快和非线性光学功能，只需比以前低几个数量级的光功率即可实现。“这次，我们证明锁模激光具有大于 0.5 瓦特的输出峰值功率，将我们的锁模激光和薄膜铌酸锂非线性光学元件‘无缝衔接’，已经可以构筑出很多新型的片上非线性光学系统。”他表示。
在纽约市立大学开展独立研究后，计划进一步实现三五族半导体和薄膜铌酸锂的集成度，并且利用新手段产生更短、峰值功率更高的超短脉冲。此外，他认为，片上锁模激光想实现大规模商业化，还应该提供整个的芯片上的光学系统级方案，包括如何集成其他的片上线性与非线性光学元件、设计反馈电路稳定地锁住脉冲激光的载波和重复频率、如何高速地调制锁模激光的输出等。
据介绍，目前团队也在深入探索薄膜铌酸锂纳米光学体系下新奇的非线性光学物理现象，并希望利用新物理现象，解决目前量子和经典信息处理、计算和传感面临的关键挑战。
“我最喜欢的科研模式，是改变人们对某个领域的传统认知，启发人们更多的思考和想象。希望通过我现在以及未来的研究，能够让更多的人意识到，芯片上的超快光学系统并不是遥不可及。另外，非线性光学的应用也不局限于频率转换或脉冲产生等，我们还可以用它来做很多‘出其不意’的事情。”表示。