【资讯】首次实现芯片级纳焦耳脉冲：Mamyshev振荡器解锁高能集成锁模激光器

2026-07-14 18:04:07

 超快激光器往往是实验室里一套复杂而精密的大家伙，它需要光纤、透镜、放大器、色散补偿器等精密元件以及稳定的光路环境，才能产生足够短、足够强的飞秒脉冲。这样的激光器性能强大，却很难真正走向小型化和规模化。尤其在光子集成芯片上，人们虽然已经能够实现锁模激光、微腔光频梳和电光频梳等片上光源，但它们的脉冲能量通常只有皮焦耳量级，难以直接驱动超连续谱、太赫兹光谱等对峰值功率要求很高的非线性过程。换句话说，芯片级超快激光器长期面临一个核心矛盾：它可以做得很小，却往往不够“有力”。

       锁模激光器的基本任务，是锁定多束纵模的相位，让它们在时域中叠加成一列列超短脉冲。脉冲越短、能量越高，峰值功率就越大，也就越容易驱动强非线性过程，例如超连续谱生成、精密光谱、频率梳自参考以及太赫兹波产生。正因如此，高能超快脉冲一直是现代光学实验中的“关键燃料”。芯片上的波导尺寸很小，光场被高度限制在微米尺度内，非线性效应会被显著增强。增强非线性原本是一件好事，但对于锁模激光器本身而言，过强的非线性也可能让脉冲在腔内变形、破裂，甚至失去稳定锁模状态。与此同时，片上腔长有限、增益介质和锁模机制难以兼顾，也使得片上脉冲能量长期停留在较低水平。这就像想把一台高性能发动机装进极小的机身里，空间变小了，结构更紧凑了，但如果不能同时解决“能量积累”和“稳定输出”的问题，系统就难以正常工作。

图1 基于Mamyshev振荡器的集成锁模激光器原理示意图。研究团队将42 cm长的掺铒硅氮化物波导夹在两个光谱错开的波导布拉格光栅之间，利用自相位调制和光谱滤波实现稳定锁模，为片上高能脉冲输出提供了新的路径

       这项工作的精巧之处在于，研究团队没有继续沿着传统片上锁模激光器的思路，去复杂地集成饱和吸收器或设计人工锁模结构，而是采用了Mamyshev振荡器这一更适合高非线性环境的锁模机制，这就像在激光腔里放置了一道“能量门槛”，弱光过不去，强脉冲才能通过。与传统锁模方式相比，Mamyshev振荡器不需要物理饱和吸收器，而是依靠非线性展宽和光谱滤波共同形成一种“等效锁模开关”。更重要的是，Mamyshev振荡器能够承受很大的腔内非线性相位变化，这一点恰好适合高约束光子芯片。对于非线性很强、尺寸很小的集成波导来说，这种机制不是负担，反而变成了优势。在具体实现上，研究团队采用掺铒硅氮化物波导作为增益介质，将42 cm长的波导以螺旋形式集成在芯片上，并在两端设置光谱错开的波导布拉格光栅。这些光栅既作为窄带反射镜和滤波器，也用于注入1480 nm泵浦光。片上集成的微加热器还可对光栅反射波长进行精细调节，从而为稳定锁模提供可控条件。最终，一个原本属于高能光纤激光器领域的Mamyshev振荡器，被压缩进了光子集成芯片之中。

图2 集成Mamyshev振荡器芯片结构与实验平台示意图。掺铒硅氮化物波导以螺旋形式排布在芯片上，两端的波导布拉格光栅提供光谱滤波与反馈，构成紧凑的片上锁模腔

       这枚集成Mamyshev锁模激光器能够维持稳定的自维持锁模状态，输出重复频率约为175.5 MHz的脉冲列。在高泵浦功率条件下，两个输出端的平均输出功率分别达到约136 mW和138 mW，计入耦合损耗后，片上输出功率分别约为182 mW和184 mW。按照重复频率计算，两个输出端的脉冲能量分别达到1.04 nJ和1.05 nJ。对于光子集成锁模光源而言，纳焦耳级脉冲能量意味着它第一次真正接近传统光纤锁模激光器的能量水平，并且比此前片上超快光源高出两个数量级。除了能量，研究团队测得，该集成锁模激光器的光谱覆盖整个通信C波段并延伸至L波段，对应超过4万条梳齿，系统能够在连续运行10小时以上保持稳定锁模，显示出良好的长期稳定性。进一步的相干性表征显示，其重复频率拍频具有很高信噪比，定时抖动低至飞秒量级，单个光频梳梳齿的线宽也保持在较低水平。这说明它并不是简单地“把功率做大”，而是在高能量输出的同时保持了稳定、相干的频率梳特征。对于一枚集成光子芯片来说，能够输出纳焦耳级、百飞秒量级的高相干脉冲，意味着它已经具备驱动强非线性光学过程的实际能力。

       为了证明这种集成高能脉冲光源不只是“指标漂亮”，研究团队进一步让它直接驱动强非线性和光谱应用。首先，研究人员将锁模激光器输出脉冲经过约10 m单模光纤进行线性压缩后，直接耦入另一段43.7 mm长的硅氮化物螺旋波导中。结果显示，在不经过任何额外光放大的情况下，该系统产生了覆盖736 nm至2331 nm的超连续谱，跨越约1.5个倍频程，这对于集成光子学来说意义重大，超连续谱是实现宽带光谱、光学相干层析、精密测量和自参考光频梳的重要基础。这项工作表明，集成锁模激光器本身已经能够提供足够能量，直接点亮宽带超连续谱。研究团队还进一步展示了太赫兹时域光谱应用，集成Mamyshev锁模激光器直接驱动了太赫兹时域光谱系统，实现了5 THz检测带宽和90 dB峰值动态范围。研究团队还完成了两类应用演示：一是通过太赫兹飞行时间测量硅片厚度，得到523.3 μm的结果，与标称厚度525 μm高度吻合；二是通过太赫兹吸收谱区分乳糖粉末和面粉，清晰解析出乳糖在约0.53 THz附近的特征吸收。这说明，片上高能超快激光器已经具备驱动实用光谱系统的潜力，未来有望推动太赫兹检测设备走向更小型、更便携、更低成本的形态。

图3 集成锁模激光器直接驱动超连续谱与太赫兹时域光谱应用。纳焦耳级脉冲可在无需额外放大的情况下产生 1.5 倍频程超连续谱，并驱动 THz-TDS 系统实现材料厚度测量和化学识别

近日，瑞士洛桑联邦理工学院研究团队报道了一种基于Mamyshev振荡器架构的集成锁模激光器。研究团队利用掺铒硅氮化物光子集成芯片，在片上实现了重复频率为176 MHz、脉冲能量达到纳焦耳量级的超快脉冲输出，脉冲能量相比此前光子集成锁模光源提升两个数量级，并可在无需额外放大的情况下直接驱动超连续谱和太赫兹时域光谱系统。这意味着，芯片级超快激光器首次真正迈入了可支撑强非线性应用的“高能脉冲时代”。

参考文献： 中国光学期刊网

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