超小芯片上的超快激光器

激光在日常生活中已经变得相对普遍，但它们除了在狂欢中提供灯光秀和扫描杂货上的条形码之外，还有很多用途。激光在电信和计算以及生物学、化学和物理研究中也非常重要。

在后一种应用中，能够发射极短脉冲的激光器（大约为万亿分之一秒（一皮秒）或更短的脉冲）特别有用。使用在如此小的时间尺度上工作的激光，研究人员可以研究发生极快的物理和化学现象，例如，化学反应中分子键的形成或断裂或材料内电子的运动。这些超短脉冲也广泛用于成像应用，因为它们可以具有极大的峰值强度但平均功率较低，因此它们可以避免加热甚至烧毁生物组织等样品。

在发表在《 科学》杂志上的一篇论文中，加州理工学院的电气工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi描述了他的实验室开发的一种新方法，用于在光子芯片上制造这种激光器，称为锁模激光器。激光器是使用纳米级组件（纳米是十亿分之一米）制成的，可以将它们集成到类似于现代电子产品中发现的基于电的集成电路的光基电路中。

“我们不仅对使锁模激光器更紧凑感兴趣，”Marandi说。“我们很高兴能够在纳米光子芯片上制造性能良好的锁模激光器，并将其与其他组件相结合。这时，我们可以在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学技术财富带到毫米级芯片上。

这种超快激光器对研究非常重要，以至于今年的诺贝尔物理学奖被授予三位科学家，以表彰他们开发了产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒是五分之一秒）。然而，这种激光器目前非常昂贵和笨重，Marandi说，他指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这些芯片可以便宜几个数量级，体积更小，目的是开发负担得起且可部署的超快光子技术。

“这些阿秒实验几乎完全是用超快锁模激光器完成的，”他说。“其中一些成本可能高达1000万美元，其中很大一部分是锁模激光器。我们真的很高兴思考如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。

Marandi实验室开发的纳米光子锁模激光器的核心是铌酸锂，这是一种具有独特光学和电学特性的合成盐，在这种情况下，可以通过施加外部射频电信号来控制和整形激光脉冲。这种方法被称为具有腔内相位调制的主动锁模。

“大约50年前，研究人员在桌面实验中使用腔内相位调制来制造锁模激光器，并认为与其他技术相比，它不是一个很好的选择，”该论文的第一作者，Marandi实验室的前博士后学者Qiushi Guo说。“但我们发现它非常适合我们的集成平台。”

“除了紧凑的尺寸外，我们的激光器还具有一系列有趣的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调整输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳源，这对于频率计量和精密传感至关重要，“Guo补充道，他现在是纽约市立大学高级科学研究中心的助理教授。

Marandi说，他的目标是继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是50飞秒（飞秒是四分之一秒），这将比他目前的设备提高100倍，该设备产生4.8皮秒的脉冲长度。

描述这项研究的论文题为“纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光”，发表在11月9日的 《科学》杂志上。合著者是Benjamin K. Gutierrez（MS ’23），应用物理学研究生;电气工程研究生 Ryoto Sekine （MS ’22）、Robert M. Gray （MS ’22）、James A. Williams、Selina Zhou （BS ’22） 和 Mingchen Liu;Luis Ledezma（23 年博士），电气工程领域的外部附属机构;路易斯·科斯塔（Luis Costa），以前在加州理工学院工作，现在在加州理工学院为美国宇航局管理的JPL工作;和Arkadev Roy（MS ’23，PhD ’23），以前在加州理工学院，现在在加州大学伯克利分校工作。

该研究的资金由陆军研究办公室、国家科学基金会和空军科学研究办公室提供。