光頻梳在通信、計量學(xué)和傳感等領(lǐng)域支撐著廣泛的應(yīng)用，然而其發(fā)生、可控性、效率等方面仍存在挑戰(zhàn)，在集成系統(tǒng)中尤是如此。近日，美國羅切斯特大學(xué)的林強(qiáng)教授課題組，通過薄膜鈮酸鋰（TFLN）與III-V增益芯片的異質(zhì)集成，實(shí)現(xiàn)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(xué)效率，以及高速調(diào)頻功能。該成果于近期發(fā)表于《自然通信》（Nature Communication）上，文章以 “Electrically empowered microcomb laser” 為題闡述了構(gòu)建該類光頻梳激光器的方法，并系統(tǒng)地研究了其機(jī)理與性能。

光學(xué)頻率梳是由在頻域等間距相干光組成的光源，在計量學(xué)、光譜學(xué)、原子鐘、光學(xué)計算、微波等方面有諸多應(yīng)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(chǎn)生，這種方法導(dǎo)致其在穩(wěn)定性，光轉(zhuǎn)換效率，以及可調(diào)性方面存在挑戰(zhàn)。近年來，研究人員嘗試將光頻梳集成于片上光學(xué)系統(tǒng)中，并取得了重大進(jìn)展。通過將半導(dǎo)體激光器與光微腔異質(zhì)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(yīng)用。然而，這并沒有解決上述光頻梳產(chǎn)生原理本身的限制。

這項(xiàng)研究，通過直接在單個激光腔中同時引入增益，電光調(diào)制與三階光學(xué)非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一種在原理上不同于傳統(tǒng)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(diào)制效應(yīng)的引入，還為該光頻梳提供了可控性。這種方法可以應(yīng)用于不同的激光器設(shè)計與結(jié)構(gòu)，如上圖所示，該課題組還提出了兩種不同的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計，對應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

這種微光頻梳激光器可以產(chǎn)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(xué)增益都作用于光頻梳，該光頻梳展示了100%的光學(xué)效率與5.6%的總電光轉(zhuǎn)化效率，以及 11 mW的輸出光功率。通過開關(guān)加載的微波電信號，激光器可實(shí)現(xiàn)快速的自啟動和關(guān)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(tuán)隊可以調(diào)控該光頻梳的帶寬和頻率間隔，或是通過施加電學(xué)反饋使該光頻梳激光器實(shí)現(xiàn)自鎖。

另外，該激光器可以實(shí)現(xiàn)高速的整體調(diào)頻。通過同時施加微波的驅(qū)動電信號與調(diào)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(dá)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(diào)制性能可以廣泛應(yīng)用于調(diào)頻連續(xù)波的激光雷達(dá)、微波、光譜儀等諸多場景中。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種微頻梳激光器，即開即用，可以進(jìn)行主/被動鎖模，并且可以靈活地高速調(diào)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(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的模式鎖定操作以及可控的電光元件，而其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體鎖模激光器的范疇，為產(chǎn)生具有高功效的孤子微頻梳開辟了新的途徑。可預(yù)見這將在包括激光測距、通信、光學(xué)和微波合成、傳感、計量學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力。

該研究工作由羅切斯特大學(xué)的凌經(jīng)緯，高正東等博士生在林強(qiáng)教授的指導(dǎo)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