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Science封面：芯片大小的激光器将彻底改变超快光子学！
激光是观察、探测和测量自然界中我们肉眼无法看到的事物的重要工具。但是，由于需要使用昂贵的大型仪器，执行这些任务的能力往往受到限制。
在《科学》（Science）杂志最新发表的一篇封面论文中，研究员郭秋实（Qiushi Guo）展示了一种在纳米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。他的工作重点是将锁模激光器微型化：这是一种独特的激光器，能以飞秒级的时间间隔发射一连串超短相干光脉冲——也就是惊人的四十亿分之一秒。
锁模激光器（MLL）能产生峰值功率大大超过平均功率的超短脉冲。
超快锁模激光器是揭开自然界最快时间尺度秘密不可或缺的工具，例如化学反应中分子键的生成或断裂，或者光在湍流介质中的传播。此外，锁模激光器的高速、脉冲峰值强度和宽光谱覆盖范围也使许多光电子技术得以实现，包括光学原子钟、生物成像以及利用光来计算和处理数据的计算机。
遗憾的是，由于峰值功率通常较低、缺乏可控性以及与纳米光子平台集成时面临的挑战，驱动超快纳米光子电路的集成MLL仍然难以实现：最先进的锁模激光器目前还是昂贵、耗电的台式系统，仅限于实验室使用。
这类超快激光器对研究工作非常重要，今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们开发出能产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒是一秒的五十亿分之一）。然而，这种激光器目前极其昂贵和笨重，此次研究正是探索了在芯片上实现这种时间尺度的方法，这种芯片可以更便宜、更小，目的是开发价格合理、可部署的超快光子技术。
在这项工作中，纽约市立大学先期科学研究中心光子学计划教员、纽约市立大学研究生中心物理学教授郭秋实和加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授阿里雷扎·马兰迪（Alireza Marandi）团队展示了一种基于纳米光子铌酸锂与III-V半导体光放大器混合集成的电泵主动式MLL。这一MLL能产生10GHz的重复频率下，在1065nm波长附近产生4.8ps的光脉冲，能量超过2.6 pJ，峰值功率超过0.5W。
“我们的目标是彻底改变超快光子学领域，将基于实验室的大型系统转变为可大规模生产和现场部署的芯片级系统。”郭秋实表示：“我们不仅要把东西做得更小，还要确保这些超快芯片级激光器能提供令人满意的性能。例如，我们需要足够的脉冲峰值强度，最好超过1瓦，以创建有意义的芯片级系统。”
然而，在芯片上实现有效的锁模激光器并不是一个简单的过程。研究团队利用了一种被称为薄膜铌酸锂（TFLN）的新兴材料平台，这种材料可以通过外部射频电信号对激光脉冲进行高效整形和精确控制。
在实验中，团队将III-V族半导体的高激光增益与TFLN纳米级光子波导的高效脉冲整形能力独特地结合在一起，展示了一种可发出0.5瓦高输出峰值功率的激光器。
除了体积小巧之外，所展示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法企及的迷人特性，为未来的应用提供了深远的影响。例如，通过调节激光器的泵浦电流，团队能够在200 MHz的极宽范围内精确调节输出脉冲的重复频率。
通过利用所展示激光器的强大可重构性，研究团队希望实现芯片级频率稳定的梳状光源，这对精密传感至关重要。
未来，团队认为还需要解决更多的挑战，以实现可扩展、集成的超快光子系统，并将其应用于便携式和手持式设备，但此次实验通过目前的演示克服了一个主要障碍。
马兰迪说：“我们感兴趣的不仅仅是使锁模激光器更加紧凑。”
“我们很高兴能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件结合在一起。到那时，我们就能在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学和技术财富带到毫米级芯片上。”
“许多阿秒级实验几乎都是用超快锁模激光器完成的。其中一些实验的成本可能高达1000万美元，而其中很大一部分就是锁模激光器的成本。我们很高兴能考虑如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。”
“除了体积小巧之外，我们的激光器还表现出一系列引人入胜的特性。”郭秋实补充道：“例如，我们可以在很宽的范围内精确调节输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳状源，这对频率计量和精密传感至关重要。”
未来，团队的目标是继续改进这项技术，使它能在更短的时间尺度和更高的峰值功率下工作。“我们的目标是彻底改变超快光子学领域，将基于实验室的大型系统转变为可大规模生产和现场部署的芯片级系统。”
具体来说，团队的目标是达到50飞秒（飞秒是十万亿分之一秒），这将是他们目前设备的100倍改进——目前设备产生的脉冲长度为4.8皮秒。
参考链接：[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1007573[2]https://phys.org/news/2023-11-photonics-team-high-performance-ultrafast-lasers.html[3]https://www.caltech.edu/about/news/ultrafast-lasers-on-ultra-tiny-chips[4]https://www.azooptics.com/News.aspx?newsID=28485[5]https://interestingengineering.com/innovation/scientists-create-powerful-lasers-that-fit-on-a-fingertip
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