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近日，美國(guó)紐約市立大學(xué)郭秋實(shí)團(tuán)隊(duì)與加州理工學(xué)院Alireza Marandi團(tuán)隊(duì)在Science期刊上發(fā)表題為“Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate”的文章，該團(tuán)隊(duì)巧妙地融合了III-V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，并通過(guò)混合集成方式制造了具有高脈沖峰值功率的電泵浦鎖模激光器，該激光器在 1065 nm附近的重復(fù)頻率為10 GHz，光脈沖寬度為4.8 ps，脈沖能量大于5 pJ，峰值功率大于0.5 W，并且其激光輸出脈沖能量和峰值功率均達(dá)到了納米光子學(xué)平臺(tái)下鎖模激光器的最高水平。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj5438

鈮酸鋰晶體材料是一種集壓電、電光、聲光、光彈、非線性、光折變及激光活性等效應(yīng)于一身的罕見(jiàn)人工晶體材料，加上自身機(jī)械性能穩(wěn)定、易加工、耐高溫、抗腐蝕、原材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、易生長(zhǎng)成大晶體的優(yōu)點(diǎn)，尤其是實(shí)施不同摻雜后能呈現(xiàn)出各種各樣的特殊性能，是至今人們所發(fā)現(xiàn)的光子學(xué)性能最多、綜合指標(biāo)最好的晶體，具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，因此也被人稱(chēng)為光子時(shí)代的“光學(xué)硅”材料，被廣泛的應(yīng)用于高性能濾波器、電光器件、全息存儲(chǔ)、3D 全息顯示、非線性光學(xué)器件、光量子通信等方面。

恒元光電生產(chǎn)的不同尺寸的鈮酸鋰晶體材料

鎖模激光器在皮秒和飛秒時(shí)間尺度上能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈、相干的超短光脈沖，因此可在極端非線性光學(xué)、光學(xué)原子鐘、光頻梳、生物成像和光子計(jì)算等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。然而，目前傳統(tǒng)鎖模激光器具有價(jià)格昂貴、高功耗、體積大等缺點(diǎn)，并且基于III-V族半導(dǎo)體與鈮酸鋰納米光子平臺(tái)異質(zhì)集成的鎖模激光器有望實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率和更高的可調(diào)性，因此相關(guān)的技術(shù)吸引了研究者們的廣泛關(guān)注。

工作狀態(tài)下的薄膜鈮酸鋰片上鎖模激光

針對(duì)鎖模激光器領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)瓶頸，該科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)集成III-V增益介質(zhì)與鈮酸鋰相位調(diào)制器，突破了傳統(tǒng)鎖模激光器的體積限制，在將尺寸微縮至芯片級(jí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異性能的鎖模激光器。

激光器鎖?？梢苑譃楸粍?dòng)鎖模和主動(dòng)鎖模兩種機(jī)制。如下圖 (A)所示，為實(shí)現(xiàn)激光的主動(dòng)鎖模，作者團(tuán)隊(duì)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；由于鈮酸鋰材料的折射率在電光效應(yīng)的作用下會(huì)周期性地發(fā)生改變，導(dǎo)致光脈沖在激光腔內(nèi)將無(wú)法保持穩(wěn)態(tài)，因此研究還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制時(shí)間周期與光脈沖在腔內(nèi)往返時(shí)間之間的良好匹配，并利用色散抵消積累的啁啾、基于激光增益補(bǔ)償光脈沖損耗，最終實(shí)現(xiàn)相位鎖定，如下圖（B-C）所示；如下圖（D）所示為實(shí)現(xiàn)的集成鈮酸鋰片上鎖模激光器示意圖。

集成鈮酸鋰片上鎖模激光器的工作原理和器件示意圖

該研究團(tuán)隊(duì)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(gòu)建出完全片上集成的超快非線性光學(xué)系統(tǒng)，從而實(shí)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(dòng)光通信、醫(yī)學(xué)成像、精準(zhǔn)測(cè)量、計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展。“從更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該片上鎖模激光器或可在相干通信、精準(zhǔn)計(jì)時(shí)、精準(zhǔn)測(cè)量領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用?！?/section>

集成有源鎖模激光器的電流調(diào)諧分析結(jié)果

另外，傳統(tǒng)基于主動(dòng)鎖模機(jī)制的固體和光纖鎖模激光，只能在有限的外部調(diào)制頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鎖模，而當(dāng)外部調(diào)制頻率超出相關(guān)范圍時(shí)，激光輸出的光脈沖就會(huì)失去固定的相位關(guān)系（即失去相干性）。如上圖所示，相比傳統(tǒng)的主動(dòng)鎖模激光器，本研究實(shí)現(xiàn)的集成鈮酸鋰片上鎖模激光器具有很大的脈沖重復(fù)頻率可調(diào)諧范圍，能夠在200 MHz調(diào)制頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生相干的光脈沖。此外，通過(guò)調(diào)整激光的泵浦電流或調(diào)制頻率，還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(guò)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(shí)現(xiàn)能夠精準(zhǔn)控制頻率的光頻梳，這對(duì)精準(zhǔn)頻率測(cè)量方面的應(yīng)用具有重大的意義。

薄膜鈮酸鋰片上鎖模激光的超短脈沖輸出

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(dòng)力學(xué)，激光只能在很窄驅(qū)的泵浦電流工作區(qū)實(shí)現(xiàn)超短脈沖產(chǎn)生，這不利于實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出。但該研究通過(guò)利用薄膜鈮酸鋰作為主動(dòng)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(lái)。

基于薄膜鈮酸鋰的優(yōu)異特性，該團(tuán)隊(duì)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(tái)上迄今為止最快（46 飛秒）、超低能耗（80 飛焦）的全光開(kāi)關(guān)。并在薄膜鈮酸鋰平臺(tái)上，實(shí)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，大范圍頻率可調(diào)光學(xué)參量振蕩器和目前集成光學(xué)領(lǐng)域指標(biāo)最高（4.9dB）的量子壓縮。

Science期刊編輯Ian S. Osborne對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)：“鎖模激光器是超快科學(xué)中的一項(xiàng)前沿技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有超短相干光脈沖和精確間隔的頻率梳。本研究通過(guò)集成III-V增益介質(zhì)與鈮酸鋰相位調(diào)制器，突破了傳統(tǒng)鎖模激光器的體積限制，在將尺寸微縮至芯片級(jí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異性能的鎖模激光器。該研究結(jié)果有望在精密測(cè)量和光譜學(xué)等前沿領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用?！?/section>

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