基于納米光子鈮酸鋰的芯片級超快鎖模激光器

激光是觀察、探測和測量自然界中我們用肉眼看不到的東西的重要工具。但是，執行這些任務的能力往往受到使用昂貴的大型儀器的需求的限制。

最新發表在《科學》雜志的一篇封面論文中，研究人員Qiushi Guo展示了一種在納米光子芯片上制造高性能超快激光器的新方法。他的工作集中在小型化鎖模激光器上，這是一種獨特的激光器，以飛秒為間隔發射一連串超短相干光脈沖，其時間間隔僅為驚人的千萬億分之一秒。

超快鎖模激光器對于揭開自然界最快時間尺度的秘密是必不可少的，例如化學反應過程中分子鍵的建立或破壞，或湍流介質中的光傳播。鎖模激光器的高速、脈沖峰值強度和寬光譜覆蓋也使許多光子技術成為可能，包括光學原子鐘、生物成像和使用光計算和處理數據的計算機。

不幸的是，目前最先進的鎖模激光器是昂貴的、功率需求高的臺式系統，僅限于實驗室使用。

紐約市立大學高級科學研究中心光子學計劃教師、紐約市立大學研究生中心物理學Guo教授說：“我們的目標是通過將大型實驗室系統轉變為可以大規模生產和現場部署的芯片尺寸系統，徹底改變超快光子學領域。我們不僅想讓東西變得更小，而且還想確保這些超快芯片尺寸的激光器提供令人滿意的性能。例如，我們需要足夠的脈沖峰值強度，最好超過1瓦，以創建有意義的芯片級系統。”

然而，在芯片上實現有效的鎖模激光器并不是一個簡單的過程。Guo教授的研究利用了一種新興的材料平臺，即薄膜鈮酸鋰(TFLN)。這種材料通過施加外部射頻電信號，可以對激光脈沖進行非常有效的整形和精確控制。

在他們的實驗中，Guo的團隊將III-V半導體的高激光增益和TFLN納米級光子波導的高效脈沖整形能力獨特地結合在一起，展示了一種可以發出0.5瓦特高輸出峰值功率的激光器。

除了緊湊的尺寸，演示的鎖模激光器還表現出許多傳統激光器無法企及的有趣特性，為未來的應用提供了深遠的意義。

例如，通過調整激光器的泵浦電流，Guo能夠精確地調整輸出脈沖的重復頻率，范圍在200 MHz的非常寬的范圍內。通過利用演示激光器的強大可重構性，研究小組希望實現芯片級、頻率穩定的梳狀光源，這對精確傳感至關重要。

Guo的團隊需要應對額外的挑戰，以實現可擴展、集成的、超快的光子系統，這些系統可以轉化為便攜式和手持設備使用，但他的實驗室已經克服了當前演示中的一個主要障礙。

Guo先生說：“這一成就為最終使用手機診斷眼部疾病，分析食物中的大腸桿菌、環境中危險病毒等鋪平了道路。它還可以實現未來的芯片級原子鐘，在GPS受到威脅或不可用時進行導航。”

審核編輯 黃宇