光頻梳在通信、計量學和傳感等領域支撐著廣泛的應用，然而其發生、可控性、效率等方面仍存在挑戰，在集成系統中尤是如此。近日，美國羅切斯特大學的林強教授課題組，通過薄膜鈮酸鋰（TFLN）與III-V增益芯片的異質集成，實現了可直接輸出光孤子的片上激光器。該激光擁有600 Hz的平均線寬，100%的光學效率，以及高速調頻功能。該成果于近期發表于《自然通信》（Nature Communication）上，文章以 “Electrically empowered microcomb laser” 為題闡述了構建該類光頻梳激光器的方法，并系統地研究了其機理與性能。

光學頻率梳是由在頻域等間距相干光組成的光源，在計量學、光譜學、原子鐘、光學計算、微波等方面有諸多應用。光頻梳通常通過用窄線寬激光泵浦高Q諧振腔的方式產生，這種方法導致其在穩定性，光轉換效率，以及可調性方面存在挑戰。近年來，研究人員嘗試將光頻梳集成于片上光學系統中，并取得了重大進展。通過將半導體激光器與光微腔異質集成，人們縮小了光頻梳器件的尺寸，重量和功耗，并拓寬了其應用。然而，這并沒有解決上述光頻梳產生原理本身的限制。

這項研究，通過直接在單個激光腔中同時引入增益，電光調制與三階光學非線性效應，實現了一種在原理上不同于傳統光頻梳的新方法。該方法直接將增益作用于一系列激光模式并使他們相位鎖定，從而令激光器能直接輸出光譜梳。電光調制效應的引入，還為該光頻梳提供了可控性。這種方法可以應用于不同的激光器設計與結構，如上圖所示，該課題組還提出了兩種不同的典型結構設計，對應不同的應用場合。

這種微光頻梳激光器可以產生譜寬約20 nm，間隔40 GHz，平均本征線寬約600 Hz的光頻梳。由于所有光學增益都作用于光頻梳，該光頻梳展示了100%的光學效率與5.6%的總電光轉化效率，以及 11 mW的輸出光功率。通過開關加載的微波電信號，激光器可實現快速的自啟動和關閉,并在單頻激光和光頻梳間切換。通過改變所加載的微波電信號，該研究團隊可以調控該光頻梳的帶寬和頻率間隔，或是通過施加電學反饋使該光頻梳激光器實現自鎖。

另外，該激光器可以實現高速的整體調頻。通過同時施加微波的驅動電信號與調頻信號，輸出光頻梳可以以100 MHz的頻率來回掃描， 其掃描速率最高可達圖片Hz/s，而光頻梳本身的頻率間隔以及其他特性均保持不變。這種高速的頻率調制性能可以廣泛應用于調頻連續波的激光雷達、微波、光譜儀等諸多場景中。

綜上所述，這項研究提出了一種微頻梳激光器，即開即用，可以進行主/被動鎖模，并且可以靈活地高速調諧與重新配置。其所展示的器件簡潔地整合了簡單的集成激光器結構、穩定的模式鎖定操作以及可控的電光元件，而其性能遠遠超出了傳統的半導體鎖模激光器的范疇，為產生具有高功效的孤子微頻梳開辟了新的途徑。可預見這將在包括激光測距、通信、光學和微波合成、傳感、計量學等眾多應用領域具有巨大的潛力。

該研究工作由羅切斯特大學的凌經緯，高正東等博士生在林強教授的指導下共同完成。

論文信息：
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48544-2

審核編輯：劉清