世界首例基於薄膜铌酸鋰的超快鎖模激光器被研發，薄膜铌酸鋰集成光學快速向前發展

近日，美國紐約市立大學郭秋實團隊與(yu) 加州理工學院Alireza Marandi團隊在Science期刊上發表題為(wei) “Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate”的文章，該團隊巧妙地融合了III-V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，並通過混合集成方式製造了具有高脈衝(chong) 峰值功率的電泵浦鎖模激光器，該激光器在 1065 nm附近的重複頻率為(wei) 10 GHz，光脈衝(chong) 寬度為(wei) 4.8 ps，脈衝(chong) 能量大於(yu) 5 pJ，峰值功率大於(yu) 0.5 W，並且其激光輸出脈衝(chong) 能量和峰值功率均達到了納米光子學平台下鎖模激光器的最高水平。

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

铌酸鋰晶體(ti) 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於(yu) 一身的罕見人工晶體(ti) 材料，加上自身機械性能穩定、易加工、耐高溫、抗腐蝕、原材料來源豐(feng) 富、價(jia) 格低廉、易生長成大晶體(ti) 的優(you) 點，尤其是實施不同摻雜後能呈現出各種各樣的特殊性能，是至今人們(men) 所發現的光子學性能最多、綜合指標最好的晶體(ti) ，具有十分廣闊的市場應用前景，因此也被人稱為(wei) 光子時代的“光學矽”材料，被廣泛的應用於(yu) 高性能濾波器、電光器件、全息存儲(chu) 、3D 全息顯示、非線性光學器件、光量子通信等方麵。

恒元光電生產(chan) 的不同尺寸的铌酸鋰晶體(ti) 材料

鎖模激光器在皮秒和飛秒時間尺度上能夠產(chan) 生強烈、相幹的超短光脈衝(chong) ，因此可在極端非線性光學、光學原子鍾、光頻梳、生物成像和光子計算等前沿領域實現應用。然而，目前傳(chuan) 統鎖模激光器具有價(jia) 格昂貴、高功耗、體(ti) 積大等缺點，並且基於(yu) III-V族半導體(ti) 與(yu) 铌酸鋰納米光子平台異質集成的鎖模激光器有望實現更高的輸出功率和更高的可調性，因此相關(guan) 的技術吸引了研究者們(men) 的廣泛關(guan) 注。

工作狀態下的薄膜铌酸鋰片上鎖模激光

針對鎖模激光器領域的相關(guan) 技術瓶頸，該科研團隊通過集成III-V增益介質與(yu) 铌酸鋰相位調製器，突破了傳(chuan) 統鎖模激光器的體(ti) 積限製，在將尺寸微縮至芯片級的同時實現了具有優(you) 異性能的鎖模激光器。

激光器鎖模可以分為(wei) 被動鎖模和主動鎖模兩(liang) 種機製。如下圖 (A)所示，為(wei) 實現激光的主動鎖模，作者團隊在激光諧振腔內(nei) 加入基於(yu) 薄膜铌酸鋰的電光相位調製器；由於(yu) 铌酸鋰材料的折射率在電光效應的作用下會(hui) 周期性地發生改變，導致光脈衝(chong) 在激光腔內(nei) 將無法保持穩態，因此研究還設計實現了相位調製時間周期與(yu) 光脈衝(chong) 在腔內(nei) 往返時間之間的良好匹配，並利用色散抵消積累的啁啾、基於(yu) 激光增益補償(chang) 光脈衝(chong) 損耗，最終實現相位鎖定，如下圖（B-C）所示；如下圖（D）所示為(wei) 實現的集成铌酸鋰片上鎖模激光器示意圖。

集成铌酸鋰片上鎖模激光器的工作原理和器件示意圖

該研究團隊表示：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。”

集成有源鎖模激光器的電流調諧分析結果

另外，傳(chuan) 統基於(yu) 主動鎖模機製的固體(ti) 和光纖鎖模激光，隻能在有限的外部調製頻率範圍內(nei) 實現鎖模，而當外部調製頻率超出相關(guan) 範圍時，激光輸出的光脈衝(chong) 就會(hui) 失去固定的相位關(guan) 係（即失去相幹性）。如上圖所示，相比傳(chuan) 統的主動鎖模激光器，本研究實現的集成铌酸鋰片上鎖模激光器具有很大的脈衝(chong) 重複頻率可調諧範圍，能夠在200 MHz調製頻率範圍內(nei) 產(chan) 生相幹的光脈衝(chong) 。此外，通過調整激光的泵浦電流或調製頻率，還能夠顯著改變脈衝(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) 。

薄膜铌酸鋰片上鎖模激光的超短脈衝(chong) 輸出

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。

基於(yu) 薄膜铌酸鋰的優(you) 異特性，該團隊在薄膜铌酸鋰、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) 。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，大範圍頻率可調光學參量振蕩器和目前集成光學領域指標最高（4.9dB）的量子壓縮。

Science期刊編輯Ian S. Osborne對這項研究給予了高度評價(jia) ：“鎖模激光器是超快科學中的一項前沿技術，能夠實現具有超短相幹光脈衝(chong) 和精確間隔的頻率梳。本研究通過集成III-V增益介質與(yu) 铌酸鋰相位調製器，突破了傳(chuan) 統鎖模激光器的體(ti) 積限製，在將尺寸微縮至芯片級的同時實現了具有優(you) 異性能的鎖模激光器。該研究結果有望在精密測量和光譜學等前沿領域得到實際應用。”

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