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。他们展示了天下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，研究职员奥妙地领悟了三五族半导体的高激光增益和薄膜铌酸锂精良的电光特性，通过稠浊集成的办法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 纳米旁边产生了重复频率为 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。”郭秋实表示。
图丨郭秋实（来源：郭秋实）
凭借其高输出峰值功率和精确的频率掌握能力，该锁模激光器有望构建出完备片上集成的超快非线性光学系统，从而实现频率完备锁定的光频梳、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、精准丈量、打算等领域的发展。“从更长远来看，该片上锁模激光器或可在相关通信、精准计时、精准丈量领域具有不可替代的运用。”郭秋实说。
以原子钟为例，如今在 5G 通信、信息处理、导航、金融交易、分布式云打算以及诸多国防运用等领域，都依赖精准计时或韶光同步的功能。在导航方面，有时仅几十亿分之一秒的韶光偏差，便或许导致位置导航偏离一米乃至更多。比较于其他技能，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须要一系列繁芜、大型、本钱高昂的装置，无法便携运用。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 的情形下，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定时钟。”
图丨干系论文（来源：Science）
近日，干系论文以《铌酸锂纳米光子学超快锁模激光器》（Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate）为题，作为封面论文在 Science 揭橥[1]。纽约市立大学前辈科学研究中央助理教授郭秋实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（Alireza Marandi）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。研究职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事情事理和器件效果图（来源：Science）
当频率为 fm 的正弦射频旗子暗记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革。郭秋实阐明道：“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壁在 fm 频率下正弦震撼的‘移动端镜’，当腔内的光脉冲旗子暗记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），光脉冲在腔内多次来回的过程中，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。在这种情形下，光脉冲可以在激光腔内保持稳态。这种锁模条件须要相位调制的韶光周期与脉冲，在腔内来回韶光形成良好的匹配。从频率角度来看，这也解释激光腔内的纵模可以在相位调制器的浸染下实现相位锁定。
图丨事情状态下的薄膜铌酸锂片上锁模激光（来源：阿里雷萨·马兰迪）
在丈量薄膜铌酸锂锁模激光时，研究职员还不雅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干系范围，激光输出的光脉冲之间便失落去了固定的相位关系（失落去相关性）。
然而，该锁模激光在广泛的调制频率范围（200MHz）内，都能产生相关的脉冲。“这解释，我们的激光比较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。”郭秋实表示。
此外，他们还创造，调度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。通过精确地反馈掌握激光的泵浦电流或调制频率，可精确地掌握激光的脉冲重复频率和载波频率，从而实现能够精准掌握频率的光频梳，这对精准频率丈量方面的运器具有重大的意义。
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，已有多种技能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韶光透镜等。在研究过程中，郭秋实反复思考一个问题：利用片上锁模激光产生光脉冲的上风在哪里？我们可以用它来办理哪些领域内的“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能存在实质的差异，这也决定了该研究在运用上与其他技能的差异性。
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、韶光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”，会在增益介质的浸染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芒等分散能量产生。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均匀功率。例如，该研究中证明的锁模激光均匀输出功率为 0.05 瓦特，但峰值功率可高达 0.5 瓦特。
这种特性是其他技能手段难以实现的，因此，锁模激光适用于须要高峰值功率的干系运用，例如构筑全片上超快非线性光子学系统。郭秋实表示，“非线性光学效应普遍比较弱，我们急迫须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。”
其余，基于克尔效应的光频梳每每须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掌握等有极其苛刻的哀求。克尔光频梳产生脉冲的重复频率也每每较高，不利于实现高分辨率光谱学和微波旗子暗记合成等运用。而利用锁模激光产生脉冲的办法，并不受这些技能问题的困扰。
三五族半导体和薄膜铌酸锂的“强强联合”，将带来若何的未来？
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。它们每每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运用于数据中央和光通信。
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，相比拟较前沿。该方向在环球范围内依然面临诸多寻衅，例如激光加工制程繁芜、良率较低、器件发热、同等性相对难以掌握等。
除了上述技能寻衅，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精良光电特性，填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常日将增益区和饱和接管体（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繁芜的载流子动力学，激光只能在很窄驱的泵浦电流事情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开释了出来。
图丨薄膜铌酸锂片上锁模激光的超短脉冲输出（来源：Science）
郭秋实认为，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，一些国内外的干系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吸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，运用于超快和超快成像、生物成像、精准丈量、量子信息、超快光子打算等领域。
传统的非线性光学系统每每须要高功率、体积弘大、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。由于这些限定，超快非线性光学的运用长期以来没有被广泛地运用于日常生活。虽然实现片上超快非线性光子学系统一贯以来是该领域的愿景，但个中的紧张难题之一，是大多数非线性光学效应常日须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寻衅。
在加州理工学院从事博士后研究阶段，郭秋实在薄膜铌酸锂、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。
郭秋实在纽约市立大学开展独立研究后，操持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，还该当供应全体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。
据先容，目前郭秋实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征象，并希望利用新物理征象，办理目前量子和经典信息处理、打算和传感面临的关键寻衅。
“我最喜好的科研模式，是改变人们对某个领域的传统认知，启示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。其余，非线性光学的运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‘出其不虞’的事情。”郭秋实表示。
参考资料：
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
