特別說明：本文由學研匯技術中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術中心）研究背景
集成飛秒脈沖和頻率梳源是廣泛應用的關鍵組件，包括光學原子鐘、微波光電子、光譜學、光波合成、頻率轉換、通信、激光雷達、光學計算和天文學等。在芯片上產生超短、寬帶和高峰值功率光脈沖的能力一直是人們追求的目標。低損耗納米光子波導的快速發(fā)展降低了脈沖能量，從而通過超連續(xù)譜的產生，實現(xiàn)了跨越八度帶寬的非線性譜展寬，達到亞皮焦。芯片上脈沖產生的主要方法依賴于具有三階非線性或半導體增益的微諧振器內部的模式鎖定。關鍵問題
1、迄今為止的所有芯片脈沖演示都依賴于桌面脈沖激光源迄今為止的所有演示都依賴于桌面脈沖激光源，這增加了系統(tǒng)的復雜性、尺寸和成本，從而阻礙了實際應用。2、通過微諧振器頻率梳源產生光脈沖只能產生幾十毫焦耳的脈沖能量通過將連續(xù)波激光器耦合到高質量因數(shù)微諧振器中，可以通過微諧振器頻率梳源產生光脈沖。然而，微脈沖受到其低效率、梳狀線功率和高重復率的限制，導致脈沖能量僅為幾十毫焦耳。基于緊湊型電泵浦片上半導體鎖模激光器的方法仍然面臨包括可用的脈沖能量、脈沖寬度以及光學和射頻噪聲等方面的挑戰(zhàn)。因此，高功率和可控的集成脈沖源仍然缺失，這是實現(xiàn)完全集成的非線性光子電路的主要障礙。新思路
有鑒于此，哈佛大學Marko Lon?ar等人演示了在集成鈮酸鋰光子平臺上實現(xiàn)的芯片級飛秒脈沖源，使用級聯(lián)低損耗電光幅度和相位調制器以及chirped Bragg光柵，形成時間透鏡系統(tǒng)。該裝置由連續(xù)波分布式反饋激光芯片驅動，并由單個連續(xù)波微波源控制，無需任何穩(wěn)定或鎖定。測量了具有30千兆赫茲重復頻率的飛秒脈沖串（520飛秒持續(xù)時間）、平頂光譜具有12.6納米10分貝光學帶寬、單個梳狀線功率超過0.1毫瓦，脈沖能量為0.54皮焦。該結果代表了一種可調諧、穩(wěn)定的和低成本的集成脈沖光源，其連續(xù)波到脈沖轉換效率比以前的集成光源高一個數(shù)量級。該脈沖發(fā)生器可應用于超快光學測量或分布式量子計算機網(wǎng)絡等領域。1、開發(fā)了基于時間透鏡系統(tǒng)電合成光脈沖作者開發(fā)了一種循環(huán)相位調制器設計，最大化了光場和微波場之間的相互作用，并有效地將Vπ降低了一半。2、證實了集成鈮酸鋰芯片電光時間透鏡可作為飛秒脈沖發(fā)生器作者展示了時間透鏡芯片能夠在飛秒范圍內產生脈沖，同時與分立元件實現(xiàn)相比，大大降低了射頻功耗和控制電路的復雜性。作者證實了通過撥動工作波長進行梳狀產生，或者將多個工作在不同波長的連續(xù)波激光器的輸出組合起來泵浦器件，可在同一芯片上產生復用的梳狀和脈沖。作者在同一薄膜鈮酸鋰芯片上集成了1.75mm長的啁啾光柵和其他時間透鏡，并演示了完全集成的飛秒脈沖源。1、克服了脈沖能量、脈沖寬度以及光學和射頻噪聲等限制，實現(xiàn)了飛秒脈沖通過在鈮酸鋰光子芯片上完全集成電光梳狀源來解決噪聲性能、波長和重復頻率可調諧性方面限制，實現(xiàn)了在飛秒范圍內產生脈沖且大大降低了射頻功耗和控制電路的復雜性。2、首次在小型化電路上實現(xiàn)電光梳狀發(fā)生器作者基于電光時間透鏡系統(tǒng)的構建，演示了平頂和頻率捷變電光梳狀發(fā)生器，并在30GHz重復頻率下產生了500fs脈沖，直接用芯片級DFB激光器泵浦。3、開發(fā)了循環(huán)幅度調制器，有效地將Vπ降低了一半循環(huán)幅度調制器設計最大化了光場和微波場之間的相互作用，實現(xiàn)了Vπ在4至39 GHz的射頻范圍內測量為2–2.5 V，遠低于最先進的集成相位調制器。技術細節(jié)
作者在鈮酸鋰光子芯片上完全集成電光梳狀源。鈮酸鋰芯片包括三個構建塊：幅度調制器、相位調制器和色散波導，集成在25mm×4mm的芯片中。作者開發(fā)了一種循環(huán)相位調制器設計，最大化了光場和微波場之間的相互作用，并有效地將Vπ降低了一半。循環(huán)相位調制器的Vπ在4至39 GHz的射頻范圍內測量為2–2.5 V。在循環(huán)相位調制器中，當回送光信號與微波驅動同相時，實現(xiàn)了最低的Vπ，這導致了無微波光譜范圍為2.8GHz、3dB功率帶寬為1.5GHz的諧振行為，同時保持了45GHz的總電光帶寬。這種環(huán)形結構的實現(xiàn)獨特地得益于可以在納米光子平臺上實現(xiàn)的小彎曲半徑和波導交叉，該平臺可以支持嚴格受限的光學模式。圖 通過時間透鏡系統(tǒng)電合成光脈沖的概念集成鈮酸鋰芯片電光時間透鏡的飛秒脈沖發(fā)生器作者展示了時間透鏡芯片能夠在飛秒范圍內產生脈沖，同時與分立元件實現(xiàn)相比，大大降低了射頻功耗和控制電路的復雜性。簡單地通過調諧微波驅動頻率，在同一設備上產生基于電光的梳和脈沖。芯片的總插入損耗為8 dB。相比之下，最先進的分立元件電光時間透鏡在10和30 GHz重復頻率下提供600 fs脈沖，具有3–4個相位調制器和移相器，不可避免地具有12–18 dB的較高光學插入損耗和42 dBm的總微波功耗。該集成時間透鏡沒有達到電光帶寬限制，并且可以通過在45 GHz下工作產生短至200 fs的脈沖，并且能夠相干非線性展寬到倍頻程跨越譜。
圖 基于集成鈮酸鋰芯片電光時間透鏡的飛秒脈沖發(fā)生器
集成的時間透鏡平臺能夠產生具有微波線間距的光學頻率梳，并在頻率靈活性、穩(wěn)定性操作、梳齒效率和脈沖能量方面具有顯著優(yōu)勢。可以撥動工作波長進行梳狀產生，或者將多個工作在不同波長的連續(xù)波激光器的輸出組合起來泵浦器件，從而在同一芯片上產生復用的梳狀和脈沖，而不會產生任何串擾或復雜的激光調諧。作者使用相同的鈮酸鋰芯片證明了復頻率的飛秒脈沖序列的產生以及穩(wěn)定性。對于65mW的泵浦功率，實現(xiàn)了16.25mW的總梳狀功率。實現(xiàn)全集成飛秒光源的一種方法是用色散工程波導代替光纖，用于芯片上壓縮。色散管理和脈沖壓縮的另一種方法是基于直接在鈮酸鋰中制造的集成啁啾布拉格光柵。作者在同一薄膜鈮酸鋰芯片上集成了1.75mm長的啁啾光柵和其他時間透鏡，并演示了完全集成的飛秒脈沖源。在該芯片上，能在8.2πrad（30.25GHz驅動頻率）的更高調制指數(shù)下工作，并且光譜具有13.2nm的10dB光學帶寬，并且集中在1565nm，實現(xiàn)了測量脈沖持續(xù)時間為500fs。圖 鈮酸鋰薄膜色散波導集成時間透鏡系統(tǒng)展望
總之，作者在鈮酸鋰光子芯片上演示了平頂和頻率捷變電光梳狀發(fā)生器，并在30GHz重復頻率下產生了500fs脈沖。低損耗和嚴格限制的光波導、高電光效率和片上啁啾布拉格光柵的結合極大地減少了整個時間透鏡系統(tǒng)的占地面積、微波和光功率消耗以及復雜性，使其與低成本晶圓規(guī)模生產兼容。電光梳狀發(fā)生器為芯片上的頻率捷變操作提供了一個優(yōu)秀的方案，具有可調的重復頻率和波長，而不受微腔諧振或微腔和鎖模激光器中存在的增益帶寬的任何限制。電光梳發(fā)生器本身可以作為微波光子學、電信和天文攝譜儀校準的多波長源，可以實現(xiàn)單個光子的時間和光譜整形，這可應用于構建未來量子網(wǎng)絡。Yu, M., Barton III, D., Cheng, R. et al. Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate. Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05345-1https://doi.org/10.1038/s41586-022-05345-1
