制成光学芯片大小的模式锁定激光器

近日，纽约市立大学（CUNY）研究生中心和加州理工学院（CalTech）的研究人员将锁模激光器（MLL）缩小到了光学芯片的大小，并集成了纳米光子平台。这些成果为开发应用广泛的超快纳米光子系统带来了希望。MLL能以皮秒和飞秒量级的极快速度产生相干超短光脉冲。这些器件已在光子学领域实现了多项技术，包括极端非线性光学、双光子显微镜和光学计算。

研究人员创建了一种锁模激光器，它能在1065nm波长左右产生~4.8ps的超短光脉冲，峰值功率~0.5W

然而，大多数MLL价格昂贵、耗电量大，而且需要庞大的分立光学元件和设备。因此，超快光子系统的使用通常仅限于桌面实验室实验。此外，用于驱动纳米光子平台的集成MLL，还存在峰值功率低和缺乏可控性等关键限制。

纽约市立大学研究生中心物理学教授Qiushi Guo说：“我们的目标是彻底改变超快光子学领域，将基于实验室的大型系统转变为可大规模生产和现场部署的芯片级系统。我们不仅要把东西做得更小，还要确保这些超快芯片级激光器能提供令人满意的性能。”

通过将半导体光放大器芯片与新型铌酸锂薄膜纳米光子电路进行混合集成，研究人员创造出了一个与光学芯片大小相当的集成MLL。据作者称，该MLL能产生约4.8ps的超短光脉冲，波长约为1065nm，峰值功率约为0.5W，是纳米光子平台中输出脉冲能量和峰值功率最高的集成MLL。

加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授Alireza Marandi

加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授Alireza Marandi说：“我们不仅对更紧凑的锁模激光器感兴趣，还能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件集成起来。到那时，我们就可以在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。”

除体积小巧外，所展示的锁模激光器还具有传统MLL无法企及的特性。例如，通过调节激光器的泵浦电流，研究人员能够在200MHz的极宽范围内精确调节输出脉冲的重复频率。通过利用演示激光器的强大可重构性，研究团队希望实现芯片级频率稳定的梳状光源，这对精密传感至关重要。

“这项成果为最终使用手机诊断眼疾或分析食物和环境中的大肠杆菌和危险病毒铺平了道路，”Guo说，“它还可以实现未来的芯片级原子钟，从而在全球定位系统受到破坏或无法使用时实现导航。”

之后，研究人员计划继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是达到50fs，这将是设备的百倍改进，当前设备产生的脉冲长度为4.8ps。