DOI: 10.1038/s41586-026-10517-4 最近，瑞士EPFL團隊在《Nature》上發了一項很有意思的工作。他們(men) 在基於(yu) 摻鉺氮化矽的平台上，做出了單脈衝(chong) 能量突破納焦的片上集成鎖模激光器。 “納焦級”的片上飛秒，對於(yu) 專(zhuan) 注集成光學的同行而言，確實是一個(ge) 讓人眼前一亮的突破。但如果你是正兒(er) 八經做超快光纖激光器研發的，當仔細拆解它的技術架構時，你會(hui) 感受到一種更加極致的物理與(yu) 工程美感。今天我們(men) 來拆解一下這篇論文背後的門道，看看超快光學與(yu) 集成光學這兩(liang) 條原本平行的科技樹，是如何在非線性動力學的十字路口，完成了一次完美交匯。 圖1. 基於(yu) Mamyshev振蕩器的集成鎖模激光器的原理 超快光纖激光的能量焦慮與(yu) Mamyshev破局 超快光纖激光器一直在朝著“高功率、高能量”的極限狂奔。老一代的鎖模技術（比如SESAM或NALM），脈衝(chong) 能量基本卡在nJ量級。為(wei) 什麽(me) ？因為(wei) 光纖裏不可避免的非線性效應：能量一高，脈衝(chong) 就容易分裂、畸變，甚至把器件打壞。 直到2017年左右，Optica上首次明確提出了Mamyshev振蕩器的概念，能產(chan) 生50 nJ、40 fs的脈衝(chong) [1]；2019年，直接把脈衝(chong) 能量拔高到了1 uJ量級[2]，又衝(chong) 上了Optica。 圖2. Mamyshev鎖模振蕩器（從(cong) 構建到參數突破） Mamyshev的核心邏輯極其直接：既然非線性效應無法避免，那就幹脆利用它！它的結構異常簡單，比如一個(ge) 線型腔，兩(liang) 端放兩(liang) 個(ge) 中心波長完全錯開的光柵。普通的連續光根本透不過去（被擋死了）。但高能脈衝(chong) 在光纖裏狂飆時，會(hui) 產(chan) 生強烈的SPM效應讓光譜大幅展寬。展寬後的光譜就能同時穿過兩(liang) 個(ge) 光柵，從(cong) 而維持係統運轉。並且能夠實現全光纖、全保偏結構，穩定性也大幅提升。 不過，Mamyshev也有個(ge) 致命的工程痛點：高調製深度抑製了連續光分量，使得鎖模前的巨脈衝(chong) 無法產(chan) 生，導致很難啟動鎖模。早期得靠外部飛秒種子源注入來“點火”，後來發展到通過調製泵浦信號或調諧光柵波長，才優(you) 雅地實現了係統級的自啟動[3]。 片上光學的器件進化 與(yu) 此同時，片上集成光學（矽基、氮化矽基等）也在瘋狂迭代：波導損耗越來越低，光子在芯片裏能跑得更遠；摻雜工藝不斷突破，從(cong) 無源走向有源（摻鉺等增益波導），且摻雜濃度越來越高；片上微納器件日益成熟，比如極其精密的波導布拉格光柵(WBG)已經可以完美製造。特別是2022年EPFL團隊在 Science上發表攻克了高增益的片上摻鉺放大器難題後，從(cong) 無源走向有源的道路被徹底打通[4]。 圖3. 2022年該團隊攻克的片上高增益摻鉺放大器（Science） 但片上光學一直有個(ge) “非線性詛咒”。相比於(yu) 光纖，片上波導的光場限製極強，它的有效非線性係數比光纖高出整整三個(ge) 數量級。這意味著，如果沿用傳(chuan) 統的SESAM機製，脈衝(chong) 在芯片內(nei) 隻要稍微積累一點能量，就會(hui) 瞬間崩潰。這就是為(wei) 什麽(me) 在過去的集成鎖模演示中，脈衝(chong) 能量始終在幾皮焦低位徘徊[5]，根本無法驅動後續的超連續譜等非線性過程。 金風玉露一相逢：底層邏輯的完美契合 這就到了這篇Nature工作最讓人拍案叫絕的地方。作者沒有在芯片上去死磕傳(chuan) 統鎖模，而是敏銳地察覺到了：片上波導那高得嚇人的非線性，不正是Mamyshev振蕩器夢寐以求的“完美引擎”嗎？這兩(liang) 者的交融簡直是天作之合： 無需人工吸收體(ti) ：用芯片上兩(liang) 個(ge) 波長錯開的WBG光柵，完美實現了Mamyshev構型，徹底拋棄了脆弱的物理可飽和吸收體(ti) 。 非線性化敵為(wei) 友：芯片極高的非線性使得脈衝(chong) 在短距離內(nei) 就能獲得巨大的光譜展寬。Mamyshev機製能夠承受高達60π的巨大非線性相移而不發生脈衝(chong) 分裂，完美駕馭了片上的極端環境。 低重頻與(yu) 高能量：得益於(yu) 低損耗的摻雜波導，芯片內(nei) 可以盤繞出亞(ya) 米級長度的激光腔，從(cong) 而實現175.5 MHz這樣的較低重複頻率（相對於(yu) 孤子微腔）。在有限的平均功率下，單脈衝(chong) 能量直接達到1 nJ，超過之前報道的PIC超快光源2個(ge) 數量級（這即使對於(yu) 摻鉺光纖鎖模來說，也是極其優(you) 異的指標）。 自啟動鎖模：作者通過對泵浦電流進行不到10秒的瞬時調製，在時域上製造尖峰，直接跨越濾波器門檻實現了自啟動鎖模。不需要任何外部種子源，這在半導體(ti) 泵浦控製中極其容易實現。 圖4. 該片上Mamyshev振蕩器的基礎輸出特性分析 這樣的脈衝(chong) 壓縮後實現147 fs，能夠直接驅動Si3N4波導實現覆蓋1.5倍頻程的超連續譜。同時，基於(yu) 此光源構建的緊湊型太赫茲(zi) 時域光譜儀(yi) 實現了5 THz的帶寬和90 dB的動態範圍，展示了其在非接觸式化學分析與(yu) 檢測中的應用。 圖5. 直接驅動超連續譜產(chan) 生（無預放大） 展望未來的一體(ti) 化終極形態 這篇工作為(wei) 高功率集成飛秒激光器確立了一條極具潛力的演化路徑。它證明了將非線性動力學管理策略轉移到微納尺度的光子芯片上不僅(jin) 可行，而且高效。展望未來，隨著混合封裝技術的成熟，半導體(ti) 泵浦源(LD)、Mamyshev核心振蕩腔、片上壓縮（色散波導或CFBG）以及超連續譜波導，有望最終在一塊晶圓上實現單片集成，把那些擺在光學平台上的龐大超快係統裝進口袋裏。這樣的光源可以驅動片上光學原子鍾與(yu) 精密計量、光譜檢測，也可以用於(yu) 一些高分辨率激光雷達與(yu) 測距等場景。 圖6. 該工作與(yu) 其他集成超快脈衝(chong) 源（以及少數商用激光器）的性能對比 參考文獻 [1] Z. Liu, et al., "Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator," Optica 4, 649-654 (2017) [2] W. Liu, et al., "Femtosecond Mamyshev oscillator with 10-MW-level peak power," Optica 6, 194-197 (2019) [3] Y.-H. Chen, et al., "Starting dynamics of a linear-cavity femtosecond Mamyshev oscillator," J. Opt. Soc. Am. B 38, 743-748 (2021) [4] Y. Liu, et al., "A photonic integrated circuit–based erbium-doped amplifier," Science 376, 1309-1313 (2022) [5] Q. Guo, et al., "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate," Science 382, 708-713 (2023)
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