據(jù)《科學》雜志新發(fā)表的一篇封面文章介紹，美國紐約市立大學和加州理工學院的研究人員展示了一種在納米光子芯片上創(chuàng)建高性能超快激光器的新方法。這種小型化鎖模激光器 (MLL) ，能以飛秒秒（1fs=10^-15秒）間隔發(fā)射一系列超短相干光脈沖。結果表明，開發(fā)超快納米光子系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。

基于納米光子鈮酸鋰的芯片級超快鎖模激光器，可產(chǎn)生約1065 nm的超短約4.8 ps光脈沖，峰值功率約0.5W

超快鎖模激光器可有助解開自然界最快時間尺度的秘密，例如化學反應過程中分子鍵的形成或斷裂，或者湍流介質中的光傳播。鎖模激光器的高速、脈沖峰值強度和廣譜覆蓋范圍也使得許多光子技術成為可能，包括光學原子鐘、生物成像以及利用光計算和處理數(shù)據(jù)的計算機。

然而，在集成光子平臺上實現(xiàn)大激光增益和高效鎖模一直是一個特殊的挑戰(zhàn)。大多數(shù)小型化鎖模激光器價格昂貴，且功率要求高，并且需要笨重的分立光學元件和設備。因此，超快光子系統(tǒng)的使用通常僅限于實驗室使用。此外，用于驅動納米光子平臺的所謂集成數(shù)小型化鎖模激光器也面臨著峰值功率低和缺乏可控性等關鍵限制。

紐約市立大學研究生中心物理學教授Qiushi Guo表示：“我們的目標是通過將大型實驗室系統(tǒng)轉變?yōu)榭梢源笠?guī)模生產(chǎn)和現(xiàn)場部署的芯片大小的系統(tǒng)，徹底改變超快光子學領域。我們不僅希望把東西做得更小，而且還希望確保這些超快芯片大小的激光器能夠提供令人滿意的性能?！?/p>

研究人員通過將半導體光放大器芯片與新型薄膜鈮酸鋰納米光子電路混合集成，研究人員創(chuàng)建了光學芯片大小的集成小型化鎖模激光器。在加州理工學院的項目中，鈮酸鋰的特性允許通過應用外部射頻電信號來控制和整形激光脈沖，這被稱為腔內相位調制的主動鎖模。據(jù)介紹，團隊將III-V族半導體的高激光增益和TFLN納米級光子波導的高效脈沖整形能力結合，研制出這種小型化鎖模激光器能夠產(chǎn)生約1065nm的超短約4.8ps光脈沖，峰值功率約為 0.5 W，這是納米光子平臺中任何集成小型化鎖模激光器的最高輸出脈沖能量和峰值功率。

加州理工學院電氣工程和應用物理學助理教授 Alireza Marandi 表示：“我們不僅僅對使鎖模激光器變得更加緊湊感興趣。我們高興的是能夠在納米光子芯片上制造性能良好的鎖模激光器并將其與其他組件相結合。到那時我們就可以在集成電路中構建完整的超快光子系統(tǒng)?！?/p>

Alireza Marandi，加州理工學院電氣工程和應用物理學助理教授

除了像指尖般大小的緊湊尺寸之外，新展示的鎖模激光器還表現(xiàn)出許多傳統(tǒng)激光器無法達到的特性，例如只要調節(jié)泵浦電流，其就能在200 MHz的寬范圍內精確調諧輸出脈沖的重復頻率。團隊希望通過激光器的強大可重構性，實現(xiàn)芯片級、頻率穩(wěn)定的梳狀源，這對于精密傳感至關重要。紐約市立大學研究生中心物理學教授Qiushi Guo說：“這將把目前屬于米級實驗的超快科學技術財富帶入毫米級芯片?！?/p>

這一成果的實用性包括可使用手機診斷眼部疾病，或分析食物和環(huán)境中的大腸桿菌以及危險病毒，并可在GPS受損或不可用時實現(xiàn)導航。研究人員計劃繼續(xù)改進這項技術，使其能夠在更短的時間尺度和更高的峰值功率下運行，目標是 50 fs，這將比當前設備（生成長度為4.8 ps的脈沖）提高一百倍。