作為現(xiàn)代光學(xué)尤其是集成光學(xué)核心部分，高質(zhì)量脈沖與相干激光光源一直以來(lái)都是學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的重要關(guān)注點(diǎn)。在中國(guó)科學(xué)院B類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“大規(guī)模光子集成芯片”支持下，中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所微納光學(xué)與光子集成團(tuán)隊(duì)近期在片上集成光源方面取得系列研究進(jìn)展。
首先，在片上實(shí)現(xiàn)了以49GHz為基頻的多倍頻（1~15）穩(wěn)定激光脈沖源，該研究成果于7月19日發(fā)表在SCI期刊ACS Photonics上。通過(guò)設(shè)計(jì)不同激光器參數(shù)，利用激光腔內(nèi)光場(chǎng)增益、非線性和色散的相互作用，產(chǎn)生的各類脈沖激光源已經(jīng)在學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域中取得豐碩的成果。不過(guò)，超高速光學(xué)時(shí)鐘、高速光通信技術(shù)、微波光子學(xué)、光譜測(cè)量及天文光頻梳等領(lǐng)域?qū)す饷}沖源的重頻提出了更高的需求。西安光機(jī)所利用自主研制的片上微環(huán)諧振腔，基于耗散四波混頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了基頻為49GHz的穩(wěn)定激光脈沖輸出，相比于超短腔脈沖激光器，有效降低了由Schawlow and Townes限制帶來(lái)的高相位噪聲。同時(shí)利用片上激光模式選擇機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了49~735GHz的多倍速率的激光脈沖，突破了激光腔自由光譜范圍對(duì)重復(fù)頻率的限制。
其次，在傅里葉變換極限超窄譜片上鎖模激光技術(shù)方面取得重要突破。傳統(tǒng)鎖模技術(shù)常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)超短脈沖，研究者更多地將鎖模技術(shù)用于展寬頻譜帶寬以實(shí)現(xiàn)超短、亞皮秒級(jí)甚至阿秒級(jí)的激光脈沖，而傅里葉變換極限超窄譜片上納秒脈沖的鎖模激光器較難實(shí)現(xiàn)，這種激光器因其頻譜帶寬比較窄，可以被廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)測(cè)量、傳感器、相干光通信以及量子光學(xué)等領(lǐng)域。西安光機(jī)所和國(guó)外多家單位合作，利用非線性放大環(huán)路反射鏡實(shí)現(xiàn)了超窄譜的集成被動(dòng)式鎖模激光器，其中核心的環(huán)路反射鏡采用研究所特有的低損耗高折射率差高Q值微環(huán)諧振器。該激光器輸出的激光脈沖時(shí)域半高全寬（FWHM）為4.31ns，平均輸出光功率約為2.5mW，峰值功率可達(dá)約60mW，輸出振幅RMS＜2.3%，譜寬104.9MHz，相比傳統(tǒng)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究成果2017年發(fā)表于《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊上。
以上研究成果是西安光機(jī)所微納光學(xué)與光子集成團(tuán)隊(duì)繼交叉偏振光子對(duì)產(chǎn)生、片上多光子糾纏態(tài)產(chǎn)生、可見(jiàn)光光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)以及高維度光量子芯片等成果之后的系列突破性進(jìn)展，為未來(lái)光量子集成芯片的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。
首先，在片上實(shí)現(xiàn)了以49GHz為基頻的多倍頻（1~15）穩(wěn)定激光脈沖源，該研究成果于7月19日發(fā)表在SCI期刊ACS Photonics上。通過(guò)設(shè)計(jì)不同激光器參數(shù)，利用激光腔內(nèi)光場(chǎng)增益、非線性和色散的相互作用，產(chǎn)生的各類脈沖激光源已經(jīng)在學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域中取得豐碩的成果。不過(guò)，超高速光學(xué)時(shí)鐘、高速光通信技術(shù)、微波光子學(xué)、光譜測(cè)量及天文光頻梳等領(lǐng)域?qū)す饷}沖源的重頻提出了更高的需求。西安光機(jī)所利用自主研制的片上微環(huán)諧振腔，基于耗散四波混頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了基頻為49GHz的穩(wěn)定激光脈沖輸出，相比于超短腔脈沖激光器，有效降低了由Schawlow and Townes限制帶來(lái)的高相位噪聲。同時(shí)利用片上激光模式選擇機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了49~735GHz的多倍速率的激光脈沖，突破了激光腔自由光譜范圍對(duì)重復(fù)頻率的限制。
其次，在傅里葉變換極限超窄譜片上鎖模激光技術(shù)方面取得重要突破。傳統(tǒng)鎖模技術(shù)常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)超短脈沖，研究者更多地將鎖模技術(shù)用于展寬頻譜帶寬以實(shí)現(xiàn)超短、亞皮秒級(jí)甚至阿秒級(jí)的激光脈沖，而傅里葉變換極限超窄譜片上納秒脈沖的鎖模激光器較難實(shí)現(xiàn)，這種激光器因其頻譜帶寬比較窄，可以被廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)測(cè)量、傳感器、相干光通信以及量子光學(xué)等領(lǐng)域。西安光機(jī)所和國(guó)外多家單位合作，利用非線性放大環(huán)路反射鏡實(shí)現(xiàn)了超窄譜的集成被動(dòng)式鎖模激光器，其中核心的環(huán)路反射鏡采用研究所特有的低損耗高折射率差高Q值微環(huán)諧振器。該激光器輸出的激光脈沖時(shí)域半高全寬（FWHM）為4.31ns，平均輸出光功率約為2.5mW，峰值功率可達(dá)約60mW，輸出振幅RMS＜2.3%，譜寬104.9MHz，相比傳統(tǒng)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究成果2017年發(fā)表于《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊上。
以上研究成果是西安光機(jī)所微納光學(xué)與光子集成團(tuán)隊(duì)繼交叉偏振光子對(duì)產(chǎn)生、片上多光子糾纏態(tài)產(chǎn)生、可見(jiàn)光光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)以及高維度光量子芯片等成果之后的系列突破性進(jìn)展，為未來(lái)光量子集成芯片的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。
超高重頻脈沖激光源的產(chǎn)生機(jī)理示意圖
49GHz激光脈沖的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
超窄譜鎖模激光器實(shí)驗(yàn)裝置
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