世界首例基于薄膜铌酸锂的超快锁模激光器被研发，薄膜铌酸锂集成光学快速向前发展

近日，美国纽约市立大学郭秋实团队与加州理工学院Alireza Marandi团队在Science期刊上发表题为“Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate”的文章，该团队巧妙地融合了III-V族半导体的高激光增益和薄膜铌酸锂优异的电光特性，并通过混合集成方式制造了具有高脉冲峰值功率的电泵浦锁模激光器，该激光器在 1065 nm附近的重复频率为10 GHz，光脉冲宽度为4.8 ps，脉冲能量大于5 pJ，峰值功率大于0.5 W，并且其激光输出脉冲能量和峰值功率均达到了纳米光子学平台下锁模激光器的最高水平。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj5438

铌酸锂晶体材料是一种集压电、电光、声光、光弹、非线性、光折变及激光活性等效应于一身的罕见人工晶体材料，加上自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，尤其是实施不同掺杂后能呈现出各种各样的特殊性能，是至今人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的晶体，具有十分广阔的市场应用前景，因此也被人称为光子时代的“光学硅”材料，被广泛的应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D 全息显示、非线性光学器件、光量子通信等方面。

恒元光电生产的不同尺寸的铌酸锂晶体材料

锁模激光器在皮秒和飞秒时间尺度上能够产生强烈、相干的超短光脉冲，因此可在极端非线性光学、光学原子钟、光频梳、生物成像和光子计算等前沿领域实现应用。然而，目前传统锁模激光器具有价格昂贵、高功耗、体积大等缺点，并且基于III-V族半导体与铌酸锂纳米光子平台异质集成的锁模激光器有望实现更高的输出功率和更高的可调性，因此相关的技术吸引了研究者们的广泛关注。

工作状态下的薄膜铌酸锂片上锁模激光

针对锁模激光器领域的相关技术瓶颈，该科研团队通过集成III-V增益介质与铌酸锂相位调制器，突破了传统锁模激光器的体积限制，在将尺寸微缩至芯片级的同时实现了具有优异性能的锁模激光器。

激光器锁模可以分为被动锁模和主动锁模两种机制。如下图 (A)所示，为实现激光的主动锁模，作者团队在激光谐振腔内加入基于薄膜铌酸锂的电光相位调制器；由于铌酸锂材料的折射率在电光效应的作用下会周期性地发生改变，导致光脉冲在激光腔内将无法保持稳态，因此研究还设计实现了相位调制时间周期与光脉冲在腔内往返时间之间的良好匹配，并利用色散抵消积累的啁啾、基于激光增益补偿光脉冲损耗，最终实现相位锁定，如下图（B-C）所示；如下图（D）所示为实现的集成铌酸锂片上锁模激光器示意图。

集成铌酸锂片上锁模激光器的工作原理和器件示意图

该研究团队表示：凭借其高输出峰值功率和精确的频率控制能力，该锁模激光器有望构建出完全片上集成的超快非线性光学系统，从而实现频率完全锁定的光频梳、超连续谱光源和原子钟等。这将极大地推动光通信、医学成像、精准测量、计算等领域的发展。“从更长远来看，该片上锁模激光器或可在相干通信、精准计时、精准测量领域具有不可替代的应用。”

集成有源锁模激光器的电流调谐分析结果

另外，传统基于主动锁模机制的固体和光纤锁模激光，只能在有限的外部调制频率范围内实现锁模，而当外部调制频率超出相关范围时，激光输出的光脉冲就会失去固定的相位关系（即失去相干性）。如上图所示，相比传统的主动锁模激光器，本研究实现的集成铌酸锂片上锁模激光器具有很大的脉冲重复频率可调谐范围，能够在200 MHz调制频率范围内产生相干的光脉冲。此外，通过调整激光的泵浦电流或调制频率，还能够显著改变脉冲激光器的载波频率和脉冲重复频率。这意味着，操控该锁模激光器的手段多种多样。通过精确地反馈控制激光的泵浦电流或调制频率，可精确地控制激光的脉冲重复频率和载波频率，从而实现能够精准控制频率的光频梳，这对精准频率测量方面的应用具有重大的意义。

薄膜铌酸锂片上锁模激光的超短脉冲输出

传统的半导体锁模激光器通常将增益区和饱和吸收体（锁模元件）集成在同一三五族半导体芯片上。由于三五族半导体的复杂的载流子动力学，激光只能在很窄驱的泵浦电流工作区实现超短脉冲产生，这不利于实现高功率的激光输出。但该研究通过利用薄膜铌酸锂作为主动锁模元件，将三五族半导体高功率输出的能力充分地释放了出来。

基于薄膜铌酸锂的优异特性，该团队在薄膜铌酸锂、集成光学及非线性光学领域已取得系列成果。例如，利用薄膜铌酸锂纳米光学的二阶非线性光学效应，证明在集成光学平台上迄今为止最快（46 飞秒）、超低能耗（80 飞焦）的全光开关。并在薄膜铌酸锂平台上，实现了具有极高增益（100dB/cm）、极大增益带宽（600nm）的光学参量放大器，大范围频率可调光学参量振荡器和目前集成光学领域指标最高（4.9dB）的量子压缩。

Science期刊编辑Ian S. Osborne对这项研究给予了高度评价：“锁模激光器是超快科学中的一项前沿技术，能够实现具有超短相干光脉冲和精确间隔的频率梳。本研究通过集成III-V增益介质与铌酸锂相位调制器，突破了传统锁模激光器的体积限制，在将尺寸微缩至芯片级的同时实现了具有优异性能的锁模激光器。该研究结果有望在精密测量和光谱学等前沿领域得到实际应用。”

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