作為現(xiàn)代光學尤其是集成光學核心部分，高質量脈沖與相干激光光源一直以來都是學術界與產(chǎn)業(yè)界的重要關注點。在中國科學院B類戰(zhàn)略性先導科技專項“大規(guī)模光子集成芯片”支持下，中科院西安光學精密機械研究所微納光學與光子集成團隊近期在片上集成光源方面取得系列研究進展。
首先，在片上實現(xiàn)了以49GHz為基頻的多倍頻（1~15）穩(wěn)定激光脈沖源，該研究成果于7月19日發(fā)表在SCI期刊ACS Photonics上。通過設計不同激光器參數(shù)，利用激光腔內(nèi)光場增益、非線性和色散的相互作用，產(chǎn)生的各類脈沖激光源已經(jīng)在學術和商業(yè)領域中取得豐碩的成果。不過，超高速光學時鐘、高速光通信技術、微波光子學、光譜測量及天文光頻梳等領域對激光脈沖源的重頻提出了更高的需求。西安光機所利用自主研制的片上微環(huán)諧振腔，基于耗散四波混頻效應，實現(xiàn)了基頻為49GHz的穩(wěn)定激光脈沖輸出，相比于超短腔脈沖激光器，有效降低了由Schawlow and Townes限制帶來的高相位噪聲。同時利用片上激光模式選擇機制，實現(xiàn)了49~735GHz的多倍速率的激光脈沖，突破了激光腔自由光譜范圍對重復頻率的限制。
其次，在傅里葉變換極限超窄譜片上鎖模激光技術方面取得重要突破。傳統(tǒng)鎖模技術常被用來實現(xiàn)超短脈沖，研究者更多地將鎖模技術用于展寬頻譜帶寬以實現(xiàn)超短、亞皮秒級甚至阿秒級的激光脈沖，而傅里葉變換極限超窄譜片上納秒脈沖的鎖模激光器較難實現(xiàn)，這種激光器因其頻譜帶寬比較窄，可以被廣泛應用于光譜學測量、傳感器、相干光通信以及量子光學等領域。西安光機所和國外多家單位合作，利用非線性放大環(huán)路反射鏡實現(xiàn)了超窄譜的集成被動式鎖模激光器，其中核心的環(huán)路反射鏡采用研究所特有的低損耗高折射率差高Q值微環(huán)諧振器。該激光器輸出的激光脈沖時域半高全寬（FWHM）為4.31ns，平均輸出光功率約為2.5mW，峰值功率可達約60mW，輸出振幅RMS＜2.3%，譜寬104.9MHz，相比傳統(tǒng)降低2個數(shù)量級。該研究成果2017年發(fā)表于《自然-光子學》（Nature Photonics）期刊上。
以上研究成果是西安光機所微納光學與光子集成團隊繼交叉偏振光子對產(chǎn)生、片上多光子糾纏態(tài)產(chǎn)生、可見光光學頻率梳實現(xiàn)以及高維度光量子芯片等成果之后的系列突破性進展，為未來光量子集成芯片的發(fā)展奠定了重要基礎。
首先，在片上實現(xiàn)了以49GHz為基頻的多倍頻（1~15）穩(wěn)定激光脈沖源，該研究成果于7月19日發(fā)表在SCI期刊ACS Photonics上。通過設計不同激光器參數(shù)，利用激光腔內(nèi)光場增益、非線性和色散的相互作用，產(chǎn)生的各類脈沖激光源已經(jīng)在學術和商業(yè)領域中取得豐碩的成果。不過，超高速光學時鐘、高速光通信技術、微波光子學、光譜測量及天文光頻梳等領域對激光脈沖源的重頻提出了更高的需求。西安光機所利用自主研制的片上微環(huán)諧振腔，基于耗散四波混頻效應，實現(xiàn)了基頻為49GHz的穩(wěn)定激光脈沖輸出，相比于超短腔脈沖激光器，有效降低了由Schawlow and Townes限制帶來的高相位噪聲。同時利用片上激光模式選擇機制，實現(xiàn)了49~735GHz的多倍速率的激光脈沖，突破了激光腔自由光譜范圍對重復頻率的限制。
其次，在傅里葉變換極限超窄譜片上鎖模激光技術方面取得重要突破。傳統(tǒng)鎖模技術常被用來實現(xiàn)超短脈沖，研究者更多地將鎖模技術用于展寬頻譜帶寬以實現(xiàn)超短、亞皮秒級甚至阿秒級的激光脈沖，而傅里葉變換極限超窄譜片上納秒脈沖的鎖模激光器較難實現(xiàn)，這種激光器因其頻譜帶寬比較窄，可以被廣泛應用于光譜學測量、傳感器、相干光通信以及量子光學等領域。西安光機所和國外多家單位合作，利用非線性放大環(huán)路反射鏡實現(xiàn)了超窄譜的集成被動式鎖模激光器，其中核心的環(huán)路反射鏡采用研究所特有的低損耗高折射率差高Q值微環(huán)諧振器。該激光器輸出的激光脈沖時域半高全寬（FWHM）為4.31ns，平均輸出光功率約為2.5mW，峰值功率可達約60mW，輸出振幅RMS＜2.3%，譜寬104.9MHz，相比傳統(tǒng)降低2個數(shù)量級。該研究成果2017年發(fā)表于《自然-光子學》（Nature Photonics）期刊上。
以上研究成果是西安光機所微納光學與光子集成團隊繼交叉偏振光子對產(chǎn)生、片上多光子糾纏態(tài)產(chǎn)生、可見光光學頻率梳實現(xiàn)以及高維度光量子芯片等成果之后的系列突破性進展，為未來光量子集成芯片的發(fā)展奠定了重要基礎。
超高重頻脈沖激光源的產(chǎn)生機理示意圖
49GHz激光脈沖的實驗測試結果
實驗結果圖
超窄譜鎖模激光器實驗裝置
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