超微型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，但除了在狂欢节上提供灯光表演和扫描杂货上的条形码之外，它们还有很多用途。激光器在电信和计算以及生物学、化学和物理研究中也非常重要。

在后面的应用中，可以发射极短脉冲(万亿分之一秒(一皮秒)或更短的脉冲)的激光器特别有用。利用在如此短的时间尺度上运行的激光，研究人员可以研究极快发生的物理和化学现象，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。这些超短脉冲还广泛用于成像应用，因为它们可以具有极高的峰值强度但平均功率较低，因此可以避免加热甚至燃烧生物组织等样品。

在《科学》杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院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在光子芯片上制造这种激光器(称为锁模激光器)的新方法。这些激光器是使用纳米级组件(纳米是十亿分之一米)制成的，使它们能够集成到基于光的电路中，类似于现代电子产品中基于电的集成电路。

“我们不仅仅对使锁模激光器变得更紧凑感兴趣，”马兰迪说。“我们很高兴能够在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他组件相结合。那时我们可以在集成电路中构建完整的超快光子系统。这将带来超快科学技术的财富，目前属于米级实验，转向毫米级芯片。”

此类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授予了三位科学家，以表彰他们开发产生阿秒脉冲(一阿秒是十亿分之一秒)的激光器。然而，这种激光器目前极其昂贵且体积庞大，马兰迪指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这些芯片可以更便宜、更小几个数量级，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。“其中一些成本高达 1000 万美元，其中很大一部分成本是锁模激光器。我们非常兴奋地思考如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。”

马兰迪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，可以通过应用外部无线电来控制和整形激光脉冲。频率电信号。这种方法被称为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，它不太适合，”该论文的第一作者、前博士后学者郭秋实说道。在马兰迪的实验室里。“但我们发现它非常适合我们的集成平台。”

“除了紧凑的尺寸之外，我们的激光器还表现出一系列有趣的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调谐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，对于频率计量和精密传感至关重要，”郭补充道，他现在是纽约市立大学高级科学研究中心的助理教授。

Marandi 表示，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(飞秒是万亿分之一秒)，这将是他的目标的 100 倍。当前设备，可生成长度为 4.8 皮秒的脉冲。

描述该研究的论文题为“纳米光子锂铌矿中的超快锁模激光”，发表在 11 月 9 日的《科学》杂志上。共同作者是 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 (PhD '23)，电气工程外部附属机构;路易斯·科斯塔 (Luis Costa)，以前在加州理工学院工作，现在在喷气推进实验室 (JPL)，该实验室由加州理工学院为 NASA 管理;和 Arkadev Roy(MS '23，PhD '23)，曾就职于加州理工学院，现就职于加州大学伯克利分校。

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。