“這項研究展示的超快鎖模激光設計和工作原理新穎獨特。在薄膜鈮酸鋰芯片上實現(xiàn)電泵浦超快激光將顯著擴大該領域的潛力，并對光子學和其他領域具有非常重要的意義?！?/p>

這項被審稿人給予高度評價的研究，來自美國紐約市立大學和美國加州理工學院團隊。他們展示了世界首例集成在薄膜鈮酸鋰光芯片上的具有高脈沖峰值功率的電泵浦鎖模激光器。

在這項研究中，研究人員巧妙地融合了三五族半導體的高激光增益和薄膜鈮酸鋰優(yōu)異的電光特性，通過混合集成的方式制造出片上鎖模激光，實現(xiàn)了高功率超短脈沖激光輸出。

值得關注的是，該激光器在 1065 納米左右產生了重復頻率為 10GHz，寬度為 4.8 皮秒的超短光脈沖，其脈沖能量大于 5 皮焦耳，峰值功率大于 0.5 瓦特?！敖刂聊壳?，我們的激光輸出脈沖能量和峰值功率，均為納米光子學平臺下鎖模激光器的最高水平。”郭秋實表示。

憑借其高輸出峰值功率和精確的頻率控制能力，該鎖模激光器有望構建出完全片上集成的超快非線性光學系統(tǒng)，從而實現(xiàn)頻率完全鎖定的光頻梳、超連續(xù)譜光源和原子鐘等。這將極大地推動光通信、醫(yī)學成像、精準測量、計算等領域的發(fā)展?！皬母L遠來看，該片上鎖模激光器或可在相干通信、精準計時、精準測量領域具有不可替代的應用?！惫飳嵳f。

以原子鐘為例，如今在 5G 通信、信息處理、導航、金融交易、分布式云計算以及諸多國防應用等領域，都依賴精準計時或時間同步的功能。在導航方面，有時僅幾十億分之一秒的時間誤差，便或許導致位置導航偏離一米甚至更多。相比于其他技術，原子鐘能根據(jù)最高精確度的原子振蕩實現(xiàn)精準計時。

但傳統(tǒng)的鎖模激光器和原子鐘需要一系列復雜、大型、成本高昂的裝置，無法便攜應用。如果片上鎖模激光和超快光學系統(tǒng)能夠鎖定在當頻率鎖定在原子振蕩上，會改變很多領域的現(xiàn)有格局。他舉例說道：“例如，在手機等便攜平臺的原子鐘能夠在無 GPS 的情況下，實現(xiàn)精準定位和導航，芯片級原子鐘也可用作高速處理器芯片的精準時鐘?！?/p>

近日，相關論文以《鈮酸鋰納米光子學超快鎖模激光器》（Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate）為題，作為封面論文在 Science 發(fā)表[1]。紐約市立大學先進科學研究中心助理教授郭秋實為該論文第一作者兼共同通訊作者，加州理工學院助理教授阿里雷薩·馬蘭迪（Alireza Marandi）為論文共同通訊作者。

在薄膜鈮酸鋰芯片實現(xiàn)電泵浦超快激光

激光器鎖模可以分為被動鎖模和主動鎖模兩種機制。研究人員在激光諧振腔內加入基于薄膜鈮酸鋰的電光相位調制器（如下圖 A 所示），實現(xiàn)了激光的主動鎖模。

當頻率為 fm 的正弦射頻信號加載在相位調制器上時，由于電光效應，鈮酸鋰的折射率會周期性地發(fā)生變化。郭秋實解釋道：“這等效于周期性地改變激光諧振腔的長度。我們可以想象激光諧振腔有一面在 fm 頻率下正弦震動的‘移動端鏡’，當腔內的光脈沖信號擊中處在運動狀態(tài)中的端鏡，并被反射回來時，其光頻率會產生多普勒頻移。這時，光脈沖在激光腔無法保持穩(wěn)態(tài)。”

但如果光脈沖恰好能擊中處在振幅最大處的端鏡（如上圖 B 所示），光脈沖在腔內多次往返的過程中，積累的啁啾被激光腔內的色散抵消，光脈沖的損耗也會被激光增益補償。在這種情況下，光脈沖可以在激光腔內保持穩(wěn)態(tài)。這種鎖模條件需要相位調制的時間周期與脈沖，在腔內往返時間形成良好的匹配。從頻率角度來看，這也說明激光腔內的縱模可以在相位調制器的作用下實現(xiàn)相位鎖定。

在測量薄膜鈮酸鋰鎖模激光時，研究人員還觀察到與傳統(tǒng)的鎖模激光器不同的特性。例如，傳統(tǒng)基于主動鎖模機制的固體和光纖鎖模激光，只能在非常有限的外部調制頻率范圍內實現(xiàn)鎖模。一旦外部調制頻率超出相關范圍，激光輸出的光脈沖之間便失去了固定的相位關系（失去相干性）。

然而，該鎖模激光在廣泛的調制頻率范圍（200MHz）內，都能產生相干的脈沖?！斑@說明，我們的激光相比于傳統(tǒng)的主動鎖模激光，具有很大的脈沖重復頻率可調諧范圍。”郭秋實表示。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)，調整激光的泵浦電流或調制頻率，均能夠顯著改變脈沖激光器的載波頻率、和脈沖重復頻率。這意味著，操控該鎖模激光器的手段多種多樣。通過精確地反饋控制激光的泵浦電流或調制頻率，可精確地控制激光的脈沖重復頻率和載波頻率，從而實現(xiàn)能夠精準控制頻率的光頻梳，這對精準頻率測量方面的應用具有重大的意義。

超短脈沖，高峰值功率激光助力片上超快非線性光學系統(tǒng)

目前在光芯片上，已有多種技術手段可實現(xiàn)超短光脈沖，例如基于克爾效應的光頻梳或基于電光效應的光頻梳和時間透鏡等。在研究過程中，郭秋實反復思考一個問題：運用片上鎖模激光產生光脈沖的優(yōu)勢在哪里？我們可以用它來解決哪些領域內的“痛點”？

隨著研究的深入他逐漸意識到，鎖模激光產生脈沖的機制與其他技術存在本質的區(qū)別，這也決定了該研究在應用上與其他技術的差異性。

從頻域的角度來看，雖然上腔內模式之間的相互注入和相位鎖定，與電光頻率梳、時間透鏡等片上超短脈沖光源有類似之處。但鎖模激光產生的頻率“梳齒”，會在增益介質的作用下不斷增強并發(fā)生激射（lasing）。

而在電光頻率梳中，頻率邊帶通過從泵浦激光線中分散能量產生。這一特點決定在時域上，鎖模激光產生光脈沖峰值功率更高，并能顯著高于激光輸出的平均功率。例如，該研究中證明的鎖模激光平均輸出功率為 0.05 瓦特，但峰值功率可高達 0.5 瓦特。

這種特性是其他技術手段難以實現(xiàn)的，因此，鎖模激光適用于需要高峰值功率的相關應用，例如構筑全片上超快非線性光子學系統(tǒng)。郭秋實表示，“非線性光學效應普遍比較弱，我們迫切需要一種具有高峰值功率的片上脈沖激光，去驅動這些片上非線性效應，實現(xiàn)脈沖壓縮、頻率轉換等功能。”

另外，基于克爾效應的光頻梳往往需要極高品質因子的片上光學腔實現(xiàn)，這對微納加工工藝以及光芯片的溫度控制等有極其苛刻的要求?？藸柟忸l梳產生脈沖的重復頻率也往往較高，不利于實現(xiàn)高分辨率光譜學和微波信號合成等應用。而利用鎖模激光產生脈沖的方式，并不受這些技術問題的困擾。

三五族半導體和薄膜鈮酸鋰的“強強聯(lián)合”，將帶來怎樣的未來？

當下芯片半導體激光器的主流，是基于三五族半導體基底（例如磷化銦基底）的連續(xù)波分布式反饋激光器和分布式布拉格反射激光器。它們往往作為分立元件和其他片上的光學元件，例如調制器、探測器組成光模塊大規(guī)模應用于數(shù)據(jù)中心和光通信。

然而，異質集成在硅或其他納米集成光學平臺上的三五族半導體激光器，相對比較前沿。該方向在全球范圍內依然面臨諸多挑戰(zhàn)，例如激光加工制程復雜、良率較低、器件發(fā)熱、一致性相對難以控制等。

除了上述技術挑戰(zhàn)，另一個關鍵的科學問題是：當科學家將三五族半導體激光器異質集成在其他材料平臺上后，能否借助其他材料帶來的優(yōu)異光電特性，彌補三五族半導體本身的短板，或者實現(xiàn)更新的功能？

傳統(tǒng)的半導體鎖模激光器通常將增益區(qū)和飽和吸收體（鎖模元件）集成在同一三五族半導體芯片上。由于三五族半導體的復雜的載流子動力學，激光只能在很窄驅的泵浦電流工作區(qū)實現(xiàn)超短脈沖產生，這不利于實現(xiàn)高功率的激光輸出。但該研究通過利用薄膜鈮酸鋰作為主動鎖模元件，將三五族半導體高功率輸出的能力充分地釋放了出來。

郭秋實認為，結合三五族半導體與鈮酸鋰兩種平臺的卓越特性是未來集成光子學研究的發(fā)展趨勢，也會帶來一些新機會。近期，一些國內外的相關研究已證明將三五族半導體的激光和薄膜鈮酸鋰的電光效應結合，能夠制備頻率快速大范圍可調的激光器，還有更小型、更大容量的用于光通信的光接收機或新型激光雷達等。

他表示，其更感興趣的是，如何將三五族半導體和薄膜鈮酸鋰的非線性和電光效應結合，構筑未來的片上超快非線性光子學系統(tǒng)，應用于超快和超快成像、生物成像、精準測量、量子信息、超快光子計算等領域。

傳統(tǒng)的非線性光學系統(tǒng)往往需要高功率、體積龐大、極其昂貴的激光器和離散的非線性光學元件，例如非線性光纖或晶體等。由于這些限制，超快非線性光學的應用長期以來沒有被廣泛地應用于日常生活。雖然實現(xiàn)片上超快非線性光子學系統(tǒng)一直以來是該領域的愿景，但其中的主要難題之一，是大多數(shù)非線性光學效應通常需要較大的輸入光功率，例如頻率轉換、超連續(xù)譜產生、脈沖壓縮等，而在光芯片上實現(xiàn)這一點充滿挑戰(zhàn)。

在加州理工學院從事博士后研究階段，郭秋實在薄膜鈮酸鋰、集成光學及非線性光學領域已取得系列成果。例如，利用薄膜鈮酸鋰納米光學的二階非線性光學效應，證明在集成光學平臺上迄今為止最快（46 飛秒）、超低能耗（80 飛焦）的全光開關[2]。并在薄膜鈮酸鋰平臺上，實現(xiàn)了具有極高增益（100dB/cm）、極大增益帶寬（600nm）的光學參量放大器[3]，大范圍頻率可調光學參量振蕩器[4] 和目前集成光學領域指標最高（4.9dB）的量子壓縮[5]。

這些研究證明了借助周期性極化薄膜鈮酸鋰強大的二階非線性光學效應，很多超快和非線性光學功能，只需比以前低幾個數(shù)量級的光功率即可實現(xiàn)?！斑@次，我們證明鎖模激光具有大于 0.5 瓦特的輸出峰值功率，將我們的鎖模激光和薄膜鈮酸鋰非線性光學元件‘無縫銜接’，已經可以構筑出很多新型的片上非線性光學系統(tǒng)?！彼硎尽?/p>

郭秋實在紐約市立大學開展獨立研究后，計劃進一步實現(xiàn)三五族半導體和薄膜鈮酸鋰的集成度，并且利用新手段產生更短、峰值功率更高的超短脈沖。此外，他認為，片上鎖模激光想實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，還應該提供整個的芯片上的光學系統(tǒng)級方案，包括如何集成其他的片上線性與非線性光學元件、設計反饋電路穩(wěn)定地鎖住脈沖激光的載波和重復頻率、如何高速地調制鎖模激光的輸出等。

據(jù)介紹，目前郭秋實團隊也在深入探索薄膜鈮酸鋰納米光學體系下新奇的非線性光學物理現(xiàn)象，并希望利用新物理現(xiàn)象，解決目前量子和經典信息處理、計算和傳感面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

“我最喜歡的科研模式，是改變人們對某個領域的傳統(tǒng)認知，啟發(fā)人們更多的思考和想象。希望通過我現(xiàn)在以及未來的研究，能夠讓更多的人意識到，芯片上的超快光學系統(tǒng)并不是遙不可及。另外，非線性光學的應用也不局限于頻率轉換或脈沖產生等，我們還可以用它來做很多‘出其不意’的事情?！惫飳嵄硎尽?/p>

參考資料：

1.Guo, Q. et al. Science 382, 6671，708-713（2023）. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj5438

2.Guo, Q., Sekine, R., Ledezma, L. et al. Femtojoule femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics. Nature Photonics16, 625–631 (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01044-5

3.Ledezma, L., Sekine, R., Guo, Q. et al. Intense optical parametric amplification in dispersion-engineered nanophotonic lithium niobate waveguides, Optica 9, 303-308 (2022). https://doi.org/10.1364/OPTICA.442332

4.Ledezma, L., Roy, A., Costa, L., Sekine, R., Gray, R., Guo, Q. et al. Octave-spanning tunable infrared parametric oscillators in nanophotonics. Science Advances 9, eadf9711(2023) https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adf9711

5.Nehra,R.,Sekine, R., Ledezma, L.,Guo, Q.et al. Few-cycle vacuum squeezing in nanophotonics,Science 377,6612, 1333-1337(2022). https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abo6213