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近日，美國紐約市立大學(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、原材料來源豐富、價(jià)格低廉、易生長成大晶體的優(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應(yīng)用前景，因此也被人稱為光子時(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)測量、計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展?！皬母L遠(yuǎn)來看，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，這對精準(zhǔn)頻率測量方面的應(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。

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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