“這項研究展示的超快鎖模激光設(shè)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(lǐng)域的潛力，并對光子學(xué)和其他領(lǐng)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(xué)和美國加州理工學(xué)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(dǎo)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(guān)注的是，該激光器在 1065 納米左右產(chǎn)生了重復(fù)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(xué)平臺下鎖模激光器的最高水平?！惫飳嵄硎?。

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(gòu)建出完全片上集成的超快非線性光學(xué)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(xué)成像、精準測量、計算等領(lǐng)域的發(fā)展。“從更長遠來看，該片上鎖模激光器或可在相干通信、精準計時、精準測量領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用?！惫飳嵳f。

以原子鐘為例，如今在 5G 通信、信息處理、導(dǎo)航、金融交易、分布式云計算以及諸多國防應(yīng)用等領(lǐng)域，都依賴精準計時或時間同步的功能。在導(dǎo)航方面，有時僅幾十億分之一秒的時間誤差，便或許導(dǎo)致位置導(dǎo)航偏離一米甚至更多。相比于其他技術(shù)，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(fù)雜、大型、成本高昂的裝置，無法便攜應(yīng)用。如果片上鎖模激光和超快光學(xué)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(lǐng)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(dǎo)航，芯片級原子鐘也可用作高速處理器芯片的精準時鐘。”

近日，相關(guān)論文以《鈮酸鋰納米光子學(xué)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(xué)先進科學(xué)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(xué)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?？梢苑譃楸粍渔i模和主動鎖模兩種機制。研究人員在激光諧振腔內(nèi)加入基于薄膜鈮酸鋰的電光相位調(diào)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(diào)制器上時，由于電光效應(yīng)，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(nèi)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(chǎn)生多普勒頻移。這時，光脈沖在激光腔無法保持穩(wěn)態(tài)?！?/p>

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(nèi)多次往返的過程中，積累的啁啾被激光腔內(nèi)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(nèi)保持穩(wěn)態(tài)。這種鎖模條件需要相位調(diào)制的時間周期與脈沖，在腔內(nèi)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(nèi)的縱?？梢栽谙辔徽{(diào)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(diào)制頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)鎖模。一旦外部調(diào)制頻率超出相關(guān)范圍，激光輸出的光脈沖之間便失去了固定的相位關(guān)系（失去相干性）。

然而，該鎖模激光在廣泛的調(diào)制頻率范圍（200MHz）內(nèi)，都能產(chǎn)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(fù)頻率可調(diào)諧范圍?！惫飳嵄硎?。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)，調(diào)整激光的泵浦電流或調(diào)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(fù)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(diào)制頻率，可精確地控制激光的脈沖重復(fù)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(yīng)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(xué)系統(tǒng)

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

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

從頻域的角度來看，雖然上腔內(nèi)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(chǎn)生的頻率“梳齒”，會在增益介質(zhì)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(chǎn)生。這一特點決定在時域上，鎖模激光產(chǎn)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(shù)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(guān)應(yīng)用，例如構(gòu)筑全片上超快非線性光子學(xué)系統(tǒng)。郭秋實表示，“非線性光學(xué)效應(yīng)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(qū)動這些片上非線性效應(yīng)，實現(xiàn)脈沖壓縮、頻率轉(zhuǎn)換等功能。”

另外，基于克爾效應(yīng)的光頻梳往往需要極高品質(zhì)因子的片上光學(xué)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(chǎn)生脈沖的重復(fù)頻率也往往較高，不利于實現(xiàn)高分辨率光譜學(xué)和微波信號合成等應(yīng)用。而利用鎖模激光產(chǎn)生脈沖的方式，并不受這些技術(shù)問題的困擾。

三五族半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的主流，是基于三五族半導(dǎo)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(xué)元件，例如調(diào)制器、探測器組成光模塊大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和光通信。

然而，異質(zhì)集成在硅或其他納米集成光學(xué)平臺上的三五族半導(dǎo)體激光器，相對比較前沿。該方向在全球范圍內(nèi)依然面臨諸多挑戰(zhàn)，例如激光加工制程復(fù)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(shù)挑戰(zhàn)，另一個關(guān)鍵的科學(xué)問題是：當科學(xué)家將三五族半導(dǎo)體激光器異質(zhì)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(dǎo)體本身的短板，或者實現(xiàn)更新的功能？

傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(dǎo)體芯片上。由于三五族半導(dǎo)體的復(fù)雜的載流子動力學(xué)，激光只能在很窄驅(qū)的泵浦電流工作區(qū)實現(xiàn)超短脈沖產(chǎn)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(dǎo)體高功率輸出的能力充分地釋放了出來。

郭秋實認為，結(jié)合三五族半導(dǎo)體與鈮酸鋰兩種平臺的卓越特性是未來集成光子學(xué)研究的發(fā)展趨勢，也會帶來一些新機會。近期，一些國內(nèi)外的相關(guān)研究已證明將三五族半導(dǎo)體的激光和薄膜鈮酸鋰的電光效應(yīng)結(jié)合，能夠制備頻率快速大范圍可調(diào)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(dǎo)體和薄膜鈮酸鋰的非線性和電光效應(yīng)結(jié)合，構(gòu)筑未來的片上超快非線性光子學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)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(lǐng)域。

傳統(tǒng)的非線性光學(xué)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(xué)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(xué)的應(yīng)用長期以來沒有被廣泛地應(yīng)用于日常生活。雖然實現(xiàn)片上超快非線性光子學(xué)系統(tǒng)一直以來是該領(lǐng)域的愿景，但其中的主要難題之一，是大多數(shù)非線性光學(xué)效應(yīng)通常需要較大的輸入光功率，例如頻率轉(zhuǎn)換、超連續(xù)譜產(chǎn)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(xué)院從事博士后研究階段，郭秋實在薄膜鈮酸鋰、集成光學(xué)及非線性光學(xué)領(lǐng)域已取得系列成果。例如，利用薄膜鈮酸鋰納米光學(xué)的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，證明在集成光學(xué)平臺上迄今為止最快（46 飛秒）、超低能耗（80 飛焦）的全光開關(guān)[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(xué)參量放大器[3]，大范圍頻率可調(diào)光學(xué)參量振蕩器[4] 和目前集成光學(xué)領(lǐng)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(xué)效應(yīng)，很多超快和非線性光學(xué)功能，只需比以前低幾個數(shù)量級的光功率即可實現(xiàn)。“這次，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(xué)元件‘無縫銜接’，已經(jīng)可以構(gòu)筑出很多新型的片上非線性光學(xué)系統(tǒng)?！彼硎?。

郭秋實在紐約市立大學(xué)開展獨立研究后，計劃進一步實現(xiàn)三五族半導(dǎo)體和薄膜鈮酸鋰的集成度，并且利用新手段產(chǎn)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(yīng)該提供整個的芯片上的光學(xué)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(xué)元件、設(shè)計反饋電路穩(wěn)定地鎖住脈沖激光的載波和重復(fù)頻率、如何高速地調(diào)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(xué)體系下新奇的非線性光學(xué)物理現(xiàn)象，并希望利用新物理現(xiàn)象，解決目前量子和經(jīng)典信息處理、計算和傳感面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

“我最喜歡的科研模式，是改變?nèi)藗儗δ硞€領(lǐng)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(xué)系統(tǒng)并不是遙不可及。另外，非線性光學(xué)的應(yīng)用也不局限于頻率轉(zhuǎn)換或脈沖產(chǎn)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