世界首次！Nature：芯片级飞秒脉冲发生器！

原创学研汇技术中心纳米人

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原创丨彤心未泯（学研汇技术中心）

编辑丨风云

研究背景

集成飞秒脉冲和频率梳源是广泛应用的关键组件，包括光学原子钟、微波光电子、光谱学、光波合成、频率转换、通信、激光雷达、光学计算和天文学等。在芯片上产生超短、宽带和高峰值功率光脉冲的能力一直是人们追求的目标。低损耗纳米光子波导的快速发展降低了脉冲能量，从而通过超连续谱的产生，实现了跨越八度带宽的非线性谱展宽，达到亚皮焦。芯片上脉冲产生的主要方法依赖于具有三阶非线性或半导体增益的微谐振器内部的模式锁定。

关键问题

然而，芯片上的脉冲仍存在以下问题：

1、迄今为止的所有芯片脉冲演示都依赖于桌面脉冲激光源

迄今为止的所有演示都依赖于桌面脉冲激光源，这增加了系统的复杂性、尺寸和成本，从而阻碍了实际应用。

2、通过微谐振器频率梳源产生光脉冲只能产生几十毫焦耳的脉冲能量

通过将连续波激光器耦合到高质量因数微谐振器中，可以通过微谐振器频率梳源产生光脉冲。然而，微脉冲受到其低效率、梳状线功率和高重复率的限制，导致脉冲能量仅为几十毫焦耳。

3、半导体锁模激光器仍面临巨大挑战

基于紧凑型电泵浦片上半导体锁模激光器的方法仍然面临包括可用的脉冲能量、脉冲宽度以及光学和射频噪声等方面的挑战。因此，高功率和可控的集成脉冲源仍然缺失，这是实现完全集成的非线性光子电路的主要障碍。

新思路

有鉴于此，哈佛大学Marko Lončar等人演示了在集成铌酸锂光子平台上实现的芯片级飞秒脉冲源，使用级联低损耗电光幅度和相位调制器以及chirped Bragg光栅，形成时间透镜系统。该装置由连续波分布式反馈激光芯片驱动，并由单个连续波微波源控制，无需任何稳定或锁定。测量了具有30千兆赫兹重复频率的飞秒脉冲串（520飞秒持续时间）、平顶光谱具有12.6纳米10分贝光学带宽、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。该脉冲发生器可应用于超快光学测量或分布式量子计算机网络等领域。

技术方案：

1、开发了基于时间透镜系统电合成光脉冲

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V_π降低了一半。

2、证实了集成铌酸锂芯片电光时间透镜可作为飞秒脉冲发生器

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。

3、实现了多路复用的梳状波和脉冲

作者证实了通过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，可在同一芯片上产生复用的梳状和脉冲。

4、演示了全集成飞秒光源器件

作者在同一薄膜铌酸锂芯片上集成了1.75mm长的啁啾光栅和其他时间透镜，并演示了完全集成的飞秒脉冲源。

技术优势：

1、克服了脉冲能量、脉冲宽度以及光学和射频噪声等限制，实现了飞秒脉冲

通过在铌酸锂光子芯片上完全集成电光梳状源来解决噪声性能、波长和重复频率可调谐性方面限制，实现了在飞秒范围内产生脉冲且大大降低了射频功耗和控制电路的复杂性。

2、首次在小型化电路上实现电光梳状发生器

作者基于电光时间透镜系统的构建，演示了平顶和频率捷变电光梳状发生器，并在30GHz重复频率下产生了500fs脉冲，直接用芯片级DFB激光器泵浦。

3、开发了循环幅度调制器，有效地将V_π降低了一半

循环幅度调制器设计最大化了光场和微波场之间的相互作用，实现了V_π在4至39 GHz的射频范围内测量为2–2.5 V，远低于最先进的集成相位调制器。

技术细节

基于时间透镜系统电合成光脉冲

作者在铌酸锂光子芯片上完全集成电光梳状源。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，集成在25mm×4mm的芯片中。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V_π降低了一半。循环相位调制器的V_π在4至39 GHz的射频范围内测量为2–2.5 V。在循环相位调制器中，当回送光信号与微波驱动同相时，实现了最低的V_π，这导致了无微波光谱范围为2.8GHz、3dB功率带宽为1.5GHz的谐振行为，同时保持了45GHz的总电光带宽。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，该平台可以支持严格受限的光学模式。

图通过时间透镜系统电合成光脉冲的概念

集成铌酸锂芯片电光时间透镜的飞秒脉冲发生器

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。简单地通过调谐微波驱动频率，在同一设备上产生基于电光的梳和脉冲。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。该集成时间透镜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，并且能够相干非线性展宽到倍频程跨越谱。

图基于集成铌酸锂芯片电光时间透镜的飞秒脉冲发生器

多路复用的梳状波和脉冲

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复杂的激光调谐。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。

图波长复用、平顶、高功率电光梳状源

全集成飞秒光源器件

实现全集成飞秒光源的一种方法是用色散工程波导代替光纤，用于芯片上压缩。色散管理和脉冲压缩的另一种方法是基于直接在铌酸锂中制造的集成啁啾布拉格光栅。作者在同一薄膜铌酸锂芯片上集成了1.75mm长的啁啾光栅和其他时间透镜，并演示了完全集成的飞秒脉冲源。在该芯片上，能在8.2πrad（30.25GHz驱动频率）的更高调制指数下工作，并且光谱具有13.2nm的10dB光学带宽，并且集中在1565nm，实现了测量脉冲持续时间为500fs。

图铌酸锂薄膜色散波导集成时间透镜系统

图全集成飞秒脉冲发生器

展望

总之，作者在铌酸锂光子芯片上演示了平顶和频率捷变电光梳状发生器，并在30GHz重复频率下产生了500fs脉冲。低损耗和严格限制的光波导、高电光效率和片上啁啾布拉格光栅的结合极大地减少了整个时间透镜系统的占地面积、微波和光功率消耗以及复杂性，使其与低成本晶圆规模生产兼容。电光梳状发生器为芯片上的频率捷变操作提供了一个优秀的方案，具有可调的重复频率和波长，而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。电光梳发生器本身可以作为微波光子学、电信和天文摄谱仪校准的多波长源，可以实现单个光子的时间和光谱整形，这可应用于构建未来量子网络。

参考文献：

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

DOI: 10.1038/s41586-022-05345-1

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

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