片上集成光源方面取得系列研究进展

来源：ofweek

作为现代光学尤其是集成光学核心部分，高质量脉冲与相干 激光光源 一直以来都是学术界与产业界的重要关注点。在中国科学院B类战略性先导科技专项“大规模光子集成芯片”支持下，近日，西安光机所微纳光学与光子集成团队在片上集成光源方面取得系列研究进展。

首先，在片上实现了以49GHz为基频的多倍频（1~15）稳定 激光脉冲 源，该研究成果于7月19日发表在SCI光学一区期刊《ACS Photonics》杂志上，题目为“Repetition rate multiplication pulsed laser source based on a micro-ring resonator”。通过设计不同 激光器 参数，利用 激光 腔内光场增益、非线性和色散的相互作用，产生的各类脉冲激光源已经在学术和商业领域中取得丰硕的成果。而面对超高速光学时钟、高速光通信技术、微波光子学、光谱测量及天文光频梳等领域对激光脉冲源的重频提出了更高的需求。西安光机所利用自家研制的片上微环谐振腔，基于耗散四波混频效应，实现了基频为49GHz的稳定激光脉冲输出，相比于超短腔 脉冲激光器 ，有效降低了由Schawlow and Townes限制带来的高相位噪声。同时利用片上激光模式选择机制，实现了49~735GHz的多倍速率的激光脉冲，突破了激光腔自由光谱范围对重复频率的限制。

超高重频脉冲激光源的产生机理示意图

49GHz激光脉冲的实验测试结果

实验结果图

其次，在傅里叶变换极限超窄谱片上锁模激光技术方面取得重要突破。传统锁模技术常被用来实现超短脉冲，研究者更多地将锁模技术用于展宽频谱带宽以实现超短、亚皮秒级甚至阿秒级的激光脉冲，而傅里叶变换极限超窄谱片上纳秒脉冲的锁模激光器较难实现，这种激光器因其频谱带宽比较窄，可以被广泛应用于光谱学测量、传感器、相干光通信以及量子光学等领域。西安光机所和国外多家单位合作，利用非线性放大环路反射镜实现了超窄谱的集成被动式锁模激光器，其中核心的环路反射镜采用西光所特有的低损耗高折射率差高Q值微环谐振器。该激光器输出的激光脉冲时域半高全宽（FWHM）为4.31ns，平均输出光功率约为2.5mW，峰值功率可达约60mW，输出振幅RMS＜2.3%，，谱宽104.9MHz，相比传统降低2个数量级。该研究成果2017年发表于《Nature Photonics》期刊上。

超窄谱锁模激光器实验装置

以上研究成果是西安光机所微纳光学与光子集成团队继交叉偏振光子对产生（Nature communications, 2015）、片上多光子纠缠态产生（Science, 2016）、可见光光学频率梳实现（Laser&Photonics Review, 2016）以及高维度光量子芯片（Nature, 2017）等成果之后的系列突破性进展，为未来光量子集成芯片的发展奠定了重要基础。