基于时间透镜的片上超快飞秒脉冲激光器

       集成飞秒脉冲和频率梳源是包括微波光子学、光谱学、频率转换、激光雷达等在内的广泛应用的关键组件。科学家们一直以来都希望构造一种可以集成到芯片上的高质量超快脉冲光源。但是目前可以发射超快脉冲的可调谐飞秒激光器体积过大，不能有效集成到半导体晶圆上。

       近日，美国哈佛大学的研究人员成功将飞秒脉冲源集成到由铌酸锂制成的光子芯片上(Nature, doi: 10.1038/s41586-022-05345-1)。他们使用级联低损耗电光振幅和相位调制器以及啁啾布拉格光栅chirped Bragg grating，形成时间透镜系统。该器件由连续波分布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。实验测量了520-fs脉冲序列，重复频率为30千兆赫，平顶光谱具有12.6纳米的10分贝光学带宽，单个梳线功率高于0.1毫瓦，脉冲能量为0.54皮焦。

图 时间透镜将连续波单色激光束转换为高性能片上飞秒脉冲源。

       传统的透镜通过衍射，也就是改变光线的相位来将其聚焦在一个焦平面上。另一方面，时间透镜以类似的方式“弯曲”光束，但它们在时间而不是空间上改变光束的相位。通过这种方式，以不同速度传播的不同颜色的光被重新计时，以便它们都同时到达焦平面。时间透镜系统从激光芯片中获得连续波单色激光束，并通过一个振幅调制器、相位调制器和色散介质运行。首先，连续波单色激光通过振幅调制器，该调制器可以控制通过时间透镜的光量以适应时空 "孔径"，这一功能类似于传统透镜中的光圈。然后，光通过透镜的“弯曲”部分传播，在相位调制器的作用下产生不同颜色的频率梳。最后，光沿着波导进入鱼骨光栅，通过群延迟色散改变了不同波长光的速度，以便它们同时到达焦平面。

       研究团队将上述三个元件集成到了由2 微米厚的衬底支撑的600 纳米厚的铌酸锂薄膜上的25×4 毫米的空间。据研究人员称，该器件可高度调谐，由于铌酸锂的电光特性，所需功率显著降低。该研究的第一作者Mengjie Yu在一份报道中表示，随着设备变得更小、更集成，节省空间的同时也节省了能源，性能也会越来越优异。

       接下来，研究团队计划探索这种超快飞秒脉冲激光器的一些应用，比如光学时钟、天文光谱仪、量子网络等。