“這項研究展示的超快鎖模激光設計和工作原理新穎獨特。在薄膜铌酸鋰芯片上實現電泵浦超快激光將顯著擴大該領域的潛力，並對光子學和其他領域具有非常重要的意義(yi) 。”

這項被審稿人給予高度評價(jia) 的研究，來自美國紐約市立大學和美國加州理工學院團隊。他們(men) 展示了世界首例集成在薄膜铌酸鋰光芯片上的具有高脈衝(chong) 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體(ti) 的高激光增益和薄膜铌酸鋰優(you) 異的電光特性，通過混合集成的方式製造出片上鎖模激光，實現了高功率超短脈衝(chong) 激光輸出。

值得關(guan) 注的是，該激光器在 1065 納米左右產(chan) 生了重複頻率為(wei) 10GHz，寬度為(wei) 4.8 皮秒的超短光脈衝(chong) ，其脈衝(chong) 能量大於(yu) 5 皮焦耳，峰值功率大於(yu) 0.5 瓦特。“截至目前，我們(men) 的激光輸出脈衝(chong) 能量和峰值功率，均為(wei) 納米光子學平台下鎖模激光器的最高水平。”郭秋實表示。

憑借其高輸出峰值功率和精確的頻率控製能力，該鎖模激光器有望構建出完全片上集成的超快非線性光學係統，從(cong) 而實現頻率完全鎖定的光頻梳、超連續譜光源和原子鍾等。這將極大地推動光通信、醫學成像、精準測量、計算等領域的發展。“從(cong) 更長遠來看，該片上鎖模激光器或可在相幹通信、精準計時、精準測量領域具有不可替代的應用。”郭秋實說。

以原子鍾為(wei) 例，如今在 5G 通信、信息處理、導航、金融交易、分布式雲(yun) 計算以及諸多國防應用等領域，都依賴精準計時或時間同步的功能。在導航方麵，有時僅(jin) 幾十億(yi) 分之一秒的時間誤差，便或許導致位置導航偏離一米甚至更多。相比於(yu) 其他技術，原子鍾能根據最高精確度的原子振蕩實現精準計時。

但傳(chuan) 統的鎖模激光器和原子鍾需要一係列複雜、大型、成本高昂的裝置，無法便攜應用。如果片上鎖模激光和超快光學係統能夠鎖定在當頻率鎖定在原子振蕩上，會(hui) 改變很多領域的現有格局。他舉(ju) 例說道：“例如，在手機等便攜平台的原子鍾能夠在無 GPS 的情況下，實現精準定位和導航，芯片級原子鍾也可用作高速處理器芯片的精準時鍾。”

近日，相關(guan) 論文以《铌酸鋰納米光子學超快鎖模激光器》（Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate）為(wei) 題，作為(wei) 封麵論文在 Science 發表[1]。紐約市立大學先進科學研究中心助理教授郭秋實為(wei) 該論文第一作者兼共同通訊作者，加州理工學院助理教授阿裏雷薩·馬蘭(lan) 迪（Alireza Marandi）為(wei) 論文共同通訊作者。

在薄膜铌酸鋰芯片實現電泵浦超快激光

激光器鎖模可以分為(wei) 被動鎖模和主動鎖模兩(liang) 種機製。研究人員在激光諧振腔內(nei) 加入基於(yu) 薄膜铌酸鋰的電光相位調製器（如下圖 A 所示），實現了激光的主動鎖模。

當頻率為(wei) fm 的正弦射頻信號加載在相位調製器上時，由於(yu) 電光效應，铌酸鋰的折射率會(hui) 周期性地發生變化。郭秋實解釋道：“這等效於(yu) 周期性地改變激光諧振腔的長度。我們(men) 可以想象激光諧振腔有一麵在 fm 頻率下正弦震動的‘移動端鏡’，當腔內(nei) 的光脈衝(chong) 信號擊中處在運動狀態中的端鏡，並被反射回來時，其光頻率會(hui) 產(chan) 生多普勒頻移。這時，光脈衝(chong) 在激光腔無法保持穩態。”

但如果光脈衝(chong) 恰好能擊中處在振幅最大處的端鏡（如上圖 B 所示），光脈衝(chong) 在腔內(nei) 多次往返的過程中，積累的啁啾被激光腔內(nei) 的色散抵消，光脈衝(chong) 的損耗也會(hui) 被激光增益補償(chang) 。在這種情況下，光脈衝(chong) 可以在激光腔內(nei) 保持穩態。這種鎖模條件需要相位調製的時間周期與(yu) 脈衝(chong) ，在腔內(nei) 往返時間形成良好的匹配。從(cong) 頻率角度來看，這也說明激光腔內(nei) 的縱模可以在相位調製器的作用下實現相位鎖定。

在測量薄膜铌酸鋰鎖模激光時，研究人員還觀察到與(yu) 傳(chuan) 統的鎖模激光器不同的特性。例如，傳(chuan) 統基於(yu) 主動鎖模機製的固體(ti) 和光纖鎖模激光，隻能在非常有限的外部調製頻率範圍內(nei) 實現鎖模。一旦外部調製頻率超出相關(guan) 範圍，激光輸出的光脈衝(chong) 之間便失去了固定的相位關(guan) 係（失去相幹性）。

然而，該鎖模激光在廣泛的調製頻率範圍（200MHz）內(nei) ，都能產(chan) 生相幹的脈衝(chong) 。“這說明，我們(men) 的激光相比於(yu) 傳(chuan) 統的主動鎖模激光，具有很大的脈衝(chong) 重複頻率可調諧範圍。”郭秋實表示。

此外，他們(men) 還發現，調整激光的泵浦電流或調製頻率，均能夠顯著改變脈衝(chong) 激光器的載波頻率、和脈衝(chong) 重複頻率。這意味著，操控該鎖模激光器的手段多種多樣。通過精確地反饋控製激光的泵浦電流或調製頻率，可精確地控製激光的脈衝(chong) 重複頻率和載波頻率，從(cong) 而實現能夠精準控製頻率的光頻梳，這對精準頻率測量方麵的應用具有重大的意義(yi) 。

超短脈衝(chong) ，高峰值功率激光助力片上超快非線性光學係統

目前在光芯片上，已有多種技術手段可實現超短光脈衝(chong) ，例如基於(yu) 克爾效應的光頻梳或基於(yu) 電光效應的光頻梳和時間透鏡等。在研究過程中，郭秋實反複思考一個(ge) 問題：運用片上鎖模激光產(chan) 生光脈衝(chong) 的優(you) 勢在哪裏？我們(men) 可以用它來解決(jue) 哪些領域內(nei) 的“痛點”？

隨著研究的深入他逐漸意識到，鎖模激光產(chan) 生脈衝(chong) 的機製與(yu) 其他技術存在本質的區別，這也決(jue) 定了該研究在應用上與(yu) 其他技術的差異性。

從(cong) 頻域的角度來看，雖然上腔內(nei) 模式之間的相互注入和相位鎖定，與(yu) 電光頻率梳、時間透鏡等片上超短脈衝(chong) 光源有類似之處。但鎖模激光產(chan) 生的頻率“梳齒”，會(hui) 在增益介質的作用下不斷增強並發生激射（lasing）。

而在電光頻率梳中，頻率邊帶通過從(cong) 泵浦激光線中分散能量產(chan) 生。這一特點決(jue) 定在時域上，鎖模激光產(chan) 生光脈衝(chong) 峰值功率更高，並能顯著高於(yu) 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(wei) 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手段難以實現的，因此，鎖模激光適用於(yu) 需要高峰值功率的相關(guan) 應用，例如構築全片上超快非線性光子學係統。郭秋實表示，“非線性光學效應普遍比較弱，我們(men) 迫切需要一種具有高峰值功率的片上脈衝(chong) 激光，去驅動這些片上非線性效應，實現脈衝(chong) 壓縮、頻率轉換等功能。”

另外，基於(yu) 克爾效應的光頻梳往往需要極高品質因子的片上光學腔實現，這對微納加工工藝以及光芯片的溫度控製等有極其苛刻的要求。克爾光頻梳產(chan) 生脈衝(chong) 的重複頻率也往往較高，不利於(yu) 實現高分辨率光譜學和微波信號合成等應用。而利用鎖模激光產(chan) 生脈衝(chong) 的方式，並不受這些技術問題的困擾。

三五族半導體(ti) 和薄膜铌酸鋰的“強強聯合”，將帶來怎樣的未來？

當下芯片半導體(ti) 激光器的主流，是基於(yu) 三五族半導體(ti) 基底（例如磷化銦基底）的連續波分布式反饋激光器和分布式布拉格反射激光器。它們(men) 往往作為(wei) 分立元件和其他片上的光學元件，例如調製器、探測器組成光模塊大規模應用於(yu) 數據中心和光通信。

然而，異質集成在矽或其他納米集成光學平台上的三五族半導體(ti) 激光器，相對比較前沿。該方向在全球範圍內(nei) 依然麵臨(lin) 諸多挑戰，例如激光加工製程複雜、良率較低、器件發熱、一致性相對難以控製等。

除了上述技術挑戰，另一個(ge) 關(guan) 鍵的科學問題是：當科學家將三五族半導體(ti) 激光器異質集成在其他材料平台上後，能否借助其他材料帶來的優(you) 異光電特性，彌補三五族半導體(ti) 本身的短板，或者實現更新的功能？

傳(chuan) 統的半導體(ti) 鎖模激光器通常將增益區和飽和吸收體(ti) （鎖模元件）集成在同一三五族半導體(ti) 芯片上。由於(yu) 三五族半導體(ti) 的複雜的載流子動力學，激光隻能在很窄驅的泵浦電流工作區實現超短脈衝(chong) 產(chan) 生，這不利於(yu) 實現高功率的激光輸出。但該研究通過利用薄膜铌酸鋰作為(wei) 主動鎖模元件，將三五族半導體(ti) 高功率輸出的能力充分地釋放了出來。

郭秋實認為(wei) ，結合三五族半導體(ti) 與(yu) 铌酸鋰兩(liang) 種平台的卓越特性是未來集成光子學研究的發展趨勢，也會(hui) 帶來一些新機會(hui) 。近期，一些國內(nei) 外的相關(guan) 研究已證明將三五族半導體(ti) 的激光和薄膜铌酸鋰的電光效應結合，能夠製備頻率快速大範圍可調的激光器，還有更小型、更大容量的用於(yu) 光通信的光接收機或新型激光雷達等。

他表示，其更感興(xing) 趣的是，如何將三五族半導體(ti) 和薄膜铌酸鋰的非線性和電光效應結合，構築未來的片上超快非線性光子學係統，應用於(yu) 超快和超快成像、生物成像、精準測量、量子信息、超快光子計算等領域。

傳(chuan) 統的非線性光學係統往往需要高功率、體(ti) 積龐大、極其昂貴的激光器和離散的非線性光學元件，例如非線性光纖或晶體(ti) 等。由於(yu) 這些限製，超快非線性光學的應用長期以來沒有被廣泛地應用於(yu) 日常生活。雖然實現片上超快非線性光子學係統一直以來是該領域的願景，但其中的主要難題之一，是大多數非線性光學效應通常需要較大的輸入光功率，例如頻率轉換、超連續譜產(chan) 生、脈衝(chong) 壓縮等，而在光芯片上實現這一點充滿挑戰。

在加州理工學院從(cong) 事博士後研究階段，郭秋實在薄膜铌酸鋰、集成光學及非線性光學領域已取得係列成果。例如，利用薄膜铌酸鋰納米光學的二階非線性光學效應，證明在集成光學平台上迄今為(wei) 止最快（46 飛秒）、超低能耗（80 飛焦）的全光開關(guan) [2]。並在薄膜铌酸鋰平台上，實現了具有極高增益（100dB/cm）、極大增益帶寬（600nm）的光學參量放大器[3]，大範圍頻率可調光學參量振蕩器[4] 和目前集成光學領域指標最高（4.9dB）的量子壓縮[5]。

這些研究證明了借助周期性極化薄膜铌酸鋰強大的二階非線性光學效應，很多超快和非線性光學功能，隻需比以前低幾個(ge) 數量級的光功率即可實現。“這次，我們(men) 證明鎖模激光具有大於(yu) 0.5 瓦特的輸出峰值功率，將我們(men) 的鎖模激光和薄膜铌酸鋰非線性光學元件‘無縫銜接’，已經可以構築出很多新型的片上非線性光學係統。”他表示。

郭秋實在紐約市立大學開展獨立研究後，計劃進一步實現三五族半導體(ti) 和薄膜铌酸鋰的集成度，並且利用新手段產(chan) 生更短、峰值功率更高的超短脈衝(chong) 。此外，他認為(wei) ，片上鎖模激光想實現大規模商業(ye) 化，還應該提供整個(ge) 的芯片上的光學係統級方案，包括如何集成其他的片上線性與(yu) 非線性光學元件、設計反饋電路穩定地鎖住脈衝(chong) 激光的載波和重複頻率、如何高速地調製鎖模激光的輸出等。

據介紹，目前郭秋實團隊也在深入探索薄膜铌酸鋰納米光學體(ti) 係下新奇的非線性光學物理現象，並希望利用新物理現象，解決(jue) 目前量子和經典信息處理、計算和傳(chuan) 感麵臨(lin) 的關(guan) 鍵挑戰。

“我最喜歡的科研模式，是改變人們(men) 對某個(ge) 領域的傳(chuan) 統認知，啟發人們(men) 更多的思考和想象。希望通過我現在以及未來的研究，能夠讓更多的人意識到，芯片上的超快光學係統並不是遙不可及。另外，非線性光學的應用也不局限於(yu) 頻率轉換或脈衝(chong) 產(chan) 生等，我們(men) 還可以用它來做很多‘出其不意’的事情。”郭秋實表示。

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