哈佛大學Nature：基于鈮酸鋰薄膜的集成飛秒脈沖發生器

一、【導讀】

集成電路用硅材料造芯片的工藝設備都非常成熟，因此硅是集成光學應用最廣的材料。然而硅在光通信波段透明并且折射率很大，不具有電光效應。因此硅基調制器只能采用熱調制或載流子效應調制，限制了硅基調制器的速率。鈮酸鋰（Lithium Niobate, LN）有顯著的電光效應，極適合用作高速調制器，目前鈮酸鋰高速調制器為代表的一系列集成光學器件得以快速發展。集成飛秒脈沖和頻率comb源是光學原子鐘、微波光子學、光譜學、光波合成、頻率轉換、通信、激光雷達、光學計算和天文學等廣泛應用的關鍵組件。片上脈沖產生的主要方法依賴于具有三階非線性或半導體增益的微諧振器內的模式鎖定。然而，這些方法在噪聲性能、波長和重復頻率可調諧性方面受到限制。

二、【成果掠影】

近日，哈佛大學Marko Lon?ar教授課題組演示了在集成鈮酸鋰光子平臺上實現的芯片級飛秒脈沖源，使用級聯低損耗電光振幅和相位調制器以及啁啾體布拉格光柵，形成時間透鏡系統。該裝置由連續波分布式反饋激光器芯片驅動，并由單個連續波微波源控制，無需任何穩定或鎖定。研究人員以此測量了具有30千兆赫茲重復頻率的飛秒脈沖序列（520飛秒持續時間）、具有12.6納米的10分貝光學帶寬的平頂光學光譜、高于0.1毫瓦的單個comb線功率以及0.54皮焦耳的脈沖能量。本研究結果展示了一種可調諧、穩固和低成本的集成脈沖光源，其連續波到脈沖轉換效率比以前的集成光源高一個數量級。脈沖發生器有望推動超高速光學測量或分布式量子計算機網絡等領域發展。該論文以題為“Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate”發表在知名期刊Nature上。

三、【數據概覽】

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圖一、通過時間透鏡系統的光脈沖電子合成示意圖 ? 2022 Springer Nature

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圖二、通過集成LN芯片的電光時間透鏡產生飛秒脈沖 ? 2022 Springer Nature

圖三、波長復用、平頂、高功率電光comb源 ? 2022 Springer Nature

圖四、在LN薄膜上具有色散波導的集成時間透鏡系統 ? 2022 Springer Nature

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圖五、全集成飛秒脈沖發生器 ? 2022 Springer Nature

四、【成果啟示】

綜上所述，研究人員展示了LN光子芯片上的平頂和頻率捷變的電光comb發生器，并在30GHz重復頻率下產生了500fs脈沖，直接用芯片級DFB激光器泵浦，這是自1960年代提出以來首次在小型化光電電路上實現。低損耗和嚴格限制的光波導、高電光效率和片上啁啾體布拉格光柵的結合極大地減少了整個時間透鏡系統的面積、微波和光功率消耗以及復雜性，使其與低成本晶圓規模生產兼容。電光comb發生器為芯片上的頻率捷變操作提供了優秀的解決方案：具有可調的重復頻率和波長，而不受微腔諧振或微腔和鎖模激光器中存在的增益帶寬的任何限制。最后，電光時間透鏡可以實現單光子的時間和光譜塑形，這可以在構建未來量子網絡奠定基礎。

文獻鏈接：Integrated femtosecond pulse generator on thin-film lithium niobate (Nature 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05345-1)