哈佛大学Nature：基于铌酸锂薄膜的集成飞秒脉冲发生器

一、【导读】

集成电路用硅材料造芯片的工艺设备都非常成熟，因此硅是集成光学应用最广的材料。然而硅在光通信波段透明并且折射率很大，不具有电光效应。因此硅基调制器只能采用热调制或载流子效应调制，限制了硅基调制器的速率。铌酸锂（Lithium Niobate, LN）有显著的电光效应，极适合用作高速调制器，目前铌酸锂高速调制器为代表的一系列集成光学器件得以快速发展。集成飞秒脉冲和频率comb源是光学原子钟、微波光子学、光谱学、光波合成、频率转换、通信、激光雷达、光学计算和天文学等广泛应用的关键组件。片上脉冲产生的主要方法依赖于具有三阶非线性或半导体增益的微谐振器内的模式锁定。然而，这些方法在噪声性能、波长和重复频率可调谐性方面受到限制。

二、【成果掠影】

近日，哈佛大学Marko Lončar教授课题组演示了在集成铌酸锂光子平台上实现的芯片级飞秒脉冲源，使用级联低损耗电光振幅和相位调制器以及啁啾体布拉格光栅，形成时间透镜系统。该装置由连续波分布式反馈激光器芯片驱动，并由单个连续波微波源控制，无需任何稳定或锁定。研究人员以此测量了具有30千兆赫兹重复频率的飞秒脉冲序列（520飞秒持续时间）、具有12.6纳米的10分贝光学带宽的平顶光学光谱、高于0.1毫瓦的单个comb线功率以及0.54皮焦耳的脉冲能量。本研究结果展示了一种可调谐、稳固和低成本的集成脉冲光源，其连续波到脉冲转换效率比以前的集成光源高一个数量级。脉冲发生器有望推动超高速光学测量或分布式量子计算机网络等领域发展。该论文以题为“Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate”发表在知名期刊Nature上。

三、【数据概览】

图一、通过时间透镜系统的光脉冲电子合成示意图 © 2022 Springer Nature

图二、通过集成LN芯片的电光时间透镜产生飞秒脉冲 © 2022 Springer Nature

图三、波长复用、平顶、高功率电光comb源 © 2022 Springer Nature

图四、在LN薄膜上具有色散波导的集成时间透镜系统 © 2022 Springer Nature

图五、全集成飞秒脉冲发生器 © 2022 Springer Nature

四、【成果启示】

综上所述，研究人员展示了LN光子芯片上的平顶和频率捷变的电光comb发生器，并在30GHz重复频率下产生了500fs脉冲，直接用芯片级DFB激光器泵浦，这是自1960年代提出以来首次在小型化光电电路上实现。低损耗和严格限制的光波导、高电光效率和片上啁啾体布拉格光栅的结合极大地减少了整个时间透镜系统的面积、微波和光功率消耗以及复杂性，使其与低成本晶圆规模生产兼容。电光comb发生器为芯片上的频率捷变操作提供了优秀的解决方案：具有可调的重复频率和波长，而不受微腔谐振或微腔和锁模激光器中存在的增益带宽的任何限制。最后，电光时间透镜可以实现单光子的时间和光谱塑形，这可以在构建未来量子网络奠定基础。

文献链接：Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate (Nature 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05345-1)