近日，美國紐約市立大學郭秋實團隊與加州理工學院Alireza Marandi團隊在Science期刊上發表題為“Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate”的文章，該團隊巧妙地融合了III-V族半導體的高激光增益和薄膜鈮酸鋰優異的電光特性，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到了納米光子學平臺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于一身的罕見人工晶體材料，加上自身機械性能穩定、易加工、耐高溫、抗腐蝕、原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體的優點，尤其是實施不同摻雜后能呈現出各種各樣的特殊性能，是至今人們所發現的光子學性能最多、綜合指標最好的晶體，具有十分廣闊的市場應用前景，因此也被人稱為光子時代的“光學硅”材料，被廣泛的應用于高性能濾波器、電光器件、全息存儲、3D 全息顯示、非線性光學器件、光量子通信等方面。鎖模激光器在皮秒和飛秒時間尺度上能夠產生強烈、相干的超短光脈沖，因此可在極端非線性光學、光學原子鐘、光頻梳、生物成像和光子計算等前沿領域實現應用。然而，目前傳統鎖模激光器具有價格昂貴、高功耗、體積大等缺點，并且基于III-V族半導體與鈮酸鋰納米光子平臺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，因此相關的技術吸引了研究者們的廣泛關注。針對鎖模激光器領域的相關技術瓶頸，該科研團隊通過集成III-V增益介質與鈮酸鋰相位調制器，突破了傳統鎖模激光器的體積限制，在將尺寸微縮至芯片級的同時實現了具有優異性能的鎖模激光器。激光器鎖模可以分為被動鎖模和主動鎖模兩種機制。如下圖 (A)所示，為實現激光的主動鎖模，作者團隊在激光諧振腔內加入基于薄膜鈮酸鋰的電光相位調制器；由于鈮酸鋰材料的折射率在電光效應的作用下會周期性地發生改變，導致光脈沖在激光腔內將無法保持穩態，因此研究還設計實現了相位調制時間周期與光脈沖在腔內往返時間之間的良好匹配，并利用色散抵消積累的啁啾、基于激光增益補償光脈沖損耗，最終實現相位鎖定，如下圖（B-C）所示；如下圖（D）所示為實現的集成鈮酸鋰片上鎖模激光器示意圖。該研究團隊表示：憑借其高輸出峰值功率和精確的頻率控制能力，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系統，從而實現頻率完全鎖定的光頻梳、超連續譜光源和原子鐘等。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。“從更長遠來看，該片上鎖模激光器或可在相干通信、精準計時、精準測量領域具有不可替代的應用。”另外，傳統基于主動鎖模機制的固體和光纖鎖模激光，只能在有限的外部調制頻率范圍內實現鎖模，而當外部調制頻率超出相關范圍時，激光輸出的光脈沖就會失去固定的相位關系（即失去相干性）。如上圖所示，相比傳統的主動鎖模激光器，本研究實現的集成鈮酸鋰片上鎖模激光器具有很大的脈沖重復頻率可調諧范圍，能夠在200 MHz調制頻率范圍內產生相干的光脈沖。此外，通過調整激光的泵浦電流或調制頻率，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制頻率，可精確地控制激光的脈沖重復頻率和載波頻率，從而實現能夠精準控制頻率的光頻梳，這對精準頻率測量方面的應用具有重大的意義。傳統的半導體鎖模激光器通常將增益區和飽和吸收體（鎖模元件）集成在同一三五族半導體芯片上。由于三五族半導體的復雜的載流子動力學，激光只能在很窄驅的泵浦電流工作區實現超短脈沖產生，這不利于實現高功率的激光輸出。但該研究通過利用薄膜鈮酸鋰作為主動鎖模元件，將三五族半導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異特性，該團隊在薄膜鈮酸鋰、集成光學及非線性光學領域已取得系列成果。例如，利用薄膜鈮酸鋰納米光學的二階非線性光學效應，證明在集成光學平臺上迄今為止最快（46 飛秒）、超低能耗（80 飛焦）的全光開關。并在薄膜鈮酸鋰平臺上，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，大范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：“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增益介質與鈮酸鋰相位調制器，突破了傳統鎖模激光器的體積限制，在將尺寸微縮至芯片級的同時實現了具有優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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