Nature | 光芯片上的飞秒脉冲

撰稿：喻梦捷（哈佛大学博士后，现任美国南加州大学助理教授）

本文由论文作者团队（课题组）投稿

飞秒激光器是一类重要的光源器件， 可以发出极短的飞秒级别的脉冲光 （一飞秒等于一秒的一千万亿分之一）。因此，飞秒脉冲激光器对测量时间和空间有着极高分辨率。它在很多领域有着非常广泛的应用， 包括光学通信，原子钟，光计算，天文，激光雷达和传感等等。

相比成熟的大型激光器产业，飞秒激光的集成化和小型化一直是一个极其重要和具有挑战性的课题。它的实现还将在未来片上非线性和量子光学领域起到重要的作用。

传统的脉冲激光器体积大，高功耗和成本高导致很难大规模应用。在光芯片上产生超快脉冲激光将有望降低激光器的成本并提高稳定性。再次之前，在集成光学芯片上实现飞秒激光脉冲主要依靠谐振腔内的三阶非线性光学和半导体增益锁模激光器。这两种方式都未能同时实现高光转化效率，短脉冲，低噪声和高功率。并且这两种方式都依赖于高质量的光学谐振腔，在增加了纳米制造的难度的同时还限制了脉冲光的频率和波长的可调性。

相比之下，电光技术可以直接在波导上调制连续光，无需锁模和谐振腔。然而受限于传统电光器件的功耗和带宽，光芯片上的基于电光效应的脉冲激光发射器还是空缺的。

鉴于此，近日，哈佛大学Marko Loncar教授课题组利用独特的时间透镜的原理，实现了有着30 千兆赫兹重复频率的飞秒脉冲光串和500飞秒的脉冲持续时间，并展示了该芯片作为光学频率梳的稳定性和可调谐性。

该团队在<1cm²的铌酸锂光芯片上集成了高效率光学耦合器，低损耗电光幅度和相位调制器以及布拉格光栅，形成时间透镜系统。和空间透镜系统相似， 时间透镜可以将连续光聚焦在很短的时间里形成脉冲光。

该系统由连续波分布式反馈激光芯片驱动，并由连续波微波源控制，无需谐振腔和增益介质。光谱可用作电光效应光学频率梳，单个梳状线功率超过0.1毫瓦，脉冲能量为0.54皮焦。

该结果代表了一种可调谐、稳定的和低成本的集成脉冲光源，其连续波到脉冲转换效率比以前的集成光源高一个数量级。该脉冲发生器和时间透镜系统可应用于超快光学测量或分布式量子计算机网络等领域。这也是世界首次在光芯片上实现电光时间透镜效应。

该成果发表在Nature，题为“Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate”。哈佛大学的喻梦捷博士为论文的第一作者。喻梦捷博士现任美国南加州大学的助理教授。

基于时间透镜系统电合成光脉冲

光的传播在时间和空间两个维度具有二元性，这就意味着可以在时间上构建类似于作用于空间上的透镜系统。

图1展示了在时间上产生一个凸透镜聚光就可以产生极短脉冲。时间上的凸透镜系统可以通过电光效应产生，在铌酸锂光子芯片上完全集成。铌酸锂芯片包括三个构建块：幅度调制器、相位调制器和色散波导。幅度调制器决定了透镜系统的入射孔镜，相位调制器相当于时间凸透镜，时间上色散相当于空间上的衍射。

图1：时间透镜聚焦产生脉冲光原理示意图

图源：Nature

作者开发了一种循环相位调制器设计，最大化了光场和微波场之间的相互作用，并有效地将Vπ降低了一半。循环相位调制器的Vπ在4至39 GHz的射频范围内测量为2–2.5 V，是目前实现的最低的半波调制电压。这种环形结构的实现独特地得益于可以在纳米光子平台上实现的小弯曲半径和波导交叉。

再简单来说，如果我们把此系统比喻成一个赛车比赛，每一种颜色的光相当于一辆有颜色的车，时间透镜系统创造了各种颜色的车并在不同的时间对不同颜色的车放行 （比如9:01分放行红色的车，9:02分放行蓝车，9:03分放行紫车）。色散系统让不同颜色的车有不同的行驶速度（红车慢，蓝车快，紫车更快）使得所有的车在同一时刻冲过终点。这就相当于形成了时间上极窄的脉冲光。

时间透镜芯片

如图2所示，作者展示了时间透镜芯片能够在飞秒范围内产生脉冲，同时与分立元件实现相比，大大降低了射频功耗和控制电路的复杂性。

图2：片上飞秒激光发生器的实验结果

图源：Nature

该芯片可以直接通过连续波激光器芯片驱动。简单地通过调谐微波驱动频率，在同一设备上产生不同的基于电光的光梳和脉冲。芯片的总插入损耗为8 dB。

相比之下，最先进的分立元件电光时间透镜在10和30 GHz重复频率下提供600 fs脉冲，具有3–4个相位调制器和移相器，不可避免地具有12–18 dB的较高光学插入损耗和42 dBm的总微波功耗。

相比其他光芯片系统，该集成时间透镜没有基于任何光学谐振腔，操作稳定可靠。

该系统没有达到电光带宽限制，并且可以通过在45 GHz下工作产生短至200 fs的脉冲，并且能够结合其他集成光学器件继续相干非线性展宽。

这个工作很好的展示了通过光芯片的集成在减小器件尺寸的同时可以得到更好的性能和更低的功耗。

片上电光频率梳

集成的时间透镜平台能够产生具有微波线间距的光学频率梳，并在频率灵活性、稳定性操作、梳齿效率和脉冲能量方面具有显著优势。可以拨动工作波长进行梳状产生，或者将多个工作在不同波长的连续波激光器的输出组合起来泵浦器件，从而在同一芯片上产生复用的梳状和脉冲，而不会产生任何串扰或需要复杂的激光调谐。

图3：波长复用，平顶和高功率的电光光学梳。频率相差20太赫兹的波分复用的电光频梳和脉冲 (a), 及高功率高转化效率的光梳 （b），基于脉冲光的三阶非线性展宽( c) 。

图源：Nature

作者使用相同的铌酸锂芯片证明了复频率的飞秒脉冲序列的产生以及稳定性。对于65mW的泵浦功率，实现了16.25mW的总梳状功率。这是在光芯片上第一次实现中心波长和重复频率都可以调节的光频梳， 不受微腔谐振或微腔和锁模激光器中存在的增益带宽的任何限制。

色散系统和全集成的脉冲光产生器

论文作者提出了两种进一步集成色散系统的方案，如图4和5所示。

通过调节集成光学波导尺寸的方法来改变色散，可以把色散系统的长度降低120倍 （图4）。

图4：铌酸锂薄膜基于色散波导的集成时间透镜系统

图源：Nature

集成布拉格光栅可以进一步降低3万倍（图5），而且布拉格光栅的损耗可以降低至0.3dB/cm。作者在图5中展示了全集成的飞秒激光产生器。

图5：基于超低损耗布拉格光栅的全集成飞秒脉冲发生器

图源：Nature

未来展望

要进一步提高电光调制器的微波传输损耗和铌酸锂薄膜波导的损耗，有望将飞秒脉冲的持续时间降低至100飞秒以下同时把脉冲能量提高至>10皮焦。进一步集成半导体连续波光芯片和微波芯片有望实现大规模生产，推动片上光学原子钟和新型光源的发展。

高功率微波线宽的光频梳可以在天文光谱校准器，非线性光学传感和随意波产生器领域发挥重要作用。高脉冲能量将开启了片上非线性光学器件的新时代。时间透镜系统还可以实现对单光子频率和时间性质的调制，这可应用于构建未来量子网络。

我们可以展望未来手机上可以安装上飞秒激光器用于监测人体的健康状况，更精确地感知周围环境，使人们可以更方便更准确地获取信息。

  论文信息  

Yu, M., Barton III, D., Cheng, R. et al. Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate. Nature (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05345-1