光频梳在通信、计量学和传感等领域支撑着广泛的应用,然而其发生、可控性、效率等方面仍存在挑战,在集成系统中尤是如此。近日,美国罗切斯特大学的林强教授课题组,通过薄膜铌酸锂(TFLN)与III-V增益芯片的异质集成,实现了可直接输出光孤子的片上激光器。该激光拥有600 Hz的平均线宽,100%的光学效率,以及高速调频功能。该成果于近期发表于《自然通信》(Nature Communication)上,文章以 “Electrically empowered microcomb laser” 为题阐述了构建该类光频梳激光器的方法,并系统地研究了其机理与性能。
光学频率梳是由在频域等间距相干光组成的光源,在计量学、光谱学、原子钟、光学计算、微波等方面有诸多应用。光频梳通常通过用窄线宽激光泵浦高Q谐振腔的方式产生,这种方法导致其在稳定性,光转换效率,以及可调性方面存在挑战。近年来,研究人员尝试将光频梳集成于片上光学系统中,并取得了重大进展。通过将半导体激光器与光微腔异质集成,人们缩小了光频梳器件的尺寸,重量和功耗,并拓宽了其应用。然而,这并没有解决上述光频梳产生原理本身的限制。
这项研究,通过直接在单个激光腔中同时引入增益,电光调制与三阶光学非线性效应,实现了一种在原理上不同于传统光频梳的新方法。该方法直接将增益作用于一系列激光模式并使他们相位锁定,从而令激光器能直接输出光谱梳。电光调制效应的引入,还为该光频梳提供了可控性。这种方法可以应用于不同的激光器设计与结构,如上图所示,该课题组还提出了两种不同的典型结构设计,对应不同的应用场合。
这种微光频梳激光器可以产生谱宽约20 nm,间隔40 GHz,平均本征线宽约600 Hz的光频梳。由于所有光学增益都作用于光频梳,该光频梳展示了100%的光学效率与5.6%的总电光转化效率,以及 11 mW的输出光功率。通过开关加载的微波电信号,激光器可实现快速的自启动和关闭,并在单频激光和光频梳间切换。通过改变所加载的微波电信号,该研究团队可以调控该光频梳的带宽和频率间隔,或是通过施加电学反馈使该光频梳激光器实现自锁。
另外,该激光器可以实现高速的整体调频。通过同时施加微波的驱动电信号与调频信号,输出光频梳可以以100 MHz的频率来回扫描, 其扫描速率最高可达图片Hz/s,而光频梳本身的频率间隔以及其他特性均保持不变。这种高速的频率调制性能可以广泛应用于调频连续波的激光雷达、微波、光谱仪等诸多场景中。
综上所述,这项研究提出了一种微频梳激光器,即开即用,可以进行主/被动锁模,并且可以灵活地高速调谐与重新配置。其所展示的器件简洁地整合了简单的集成激光器结构、稳定的模式锁定操作以及可控的电光元件,而其性能远远超出了传统的半导体锁模激光器的范畴,为产生具有高功效的孤子微频梳开辟了新的途径。可预见这将在包括激光测距、通信、光学和微波合成、传感、计量学等众多应用领域具有巨大的潜力。
该研究工作由罗切斯特大学的凌经纬,高正东等博士生在林强教授的指导下共同完成。
论文信息:
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48544-2
审核编辑:刘清
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原文标题:电致微光频梳激光器:为产生具有高功效的孤子微频梳开辟新途径
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