是的——终于实现了！在芯片上直接产生高强度超快脉冲，为光子集成电路（PICs）带来了新的能力，并使得集成更多功能（如单片压电执行器）成为可能。

Zheru Qiu和同事Xuan Yang在实验室中与团队的片上超快激光器合影。图片来源：Zheru Qiu/EPFL

片上锁模激光器长期以来一直是光子学界孜孜以求的“圣杯”之一。但瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的一个研究团队设计出了一种片上超快激光器，可输出脉冲能量达1.05纳焦、脉宽短至147飞秒的脉冲——其性能已可媲美笨重的台式飞秒激光器。

“我们更广泛的动机是帮助将超快激光技术带出当前的小众市场，实现广泛应用——从工匠式打造的庞大激光系统，转向可规模化制造且成本可能大幅降低的芯片级器件。”EPFL光子学与量子测量实验室的博士生助理Zheru Qiu表示。

虽然目前已存在能够产生脉冲的微梳和III-V族激光器，但“它们的重复频率往往过高，脉冲能量过低，无法有效驱动波导或其他材料内的非线性效应，例如波长转换或双光子效应，”Qiu说。“我们的方法提供了一条通往芯片级飞秒激光器的途径，其脉冲能量更接近实际超快和非线性光学应用所需的水准。”

该团队片上超快激光器的一项关键使能技术是他们早在2022年完成的工作¹，其中他们证明了铒离子注入可用于为原本无源的氮化硅波导增加光学增益。“这使我们能够制造出掺铒光纤的片上对应物——但尺寸大幅缩小，”Qiu说。“我们还借鉴了光纤激光器中率先采用的Mamyshev振荡器概念，事实证明这对于在芯片上实现这一功能（以抑制波导内过度的非线性效应）至关重要。”

EPFL的光子芯片与（毫米级）火柴头对比展示其尺度  图片来源：Zheru Qiu/EPFL

片上超快激光器设计

该激光器基本上由一段夹在两个布拉格光栅之间的掺铒氮化硅波导构成，目前由片外的1480 nm连续波二极管进行泵浦。

“利用Mamyshev振荡器概念，两个光栅在波长上有意偏移，因此连续波激射无法维持，”Qiu解释道。“没有单一波长能被两个光栅同时反射。然而，脉冲可以在波导内发生自相位调制，从而展宽其光谱，并有效地桥接两个光栅之间的波长间隙。这使得脉冲运行成为可能，并抑制了普通的连续波激射。”

最大的挑战是什么？“在芯片上制造如此长的谐振腔（约42厘米长）在技术上颇具挑战，”Qiu说。“这之所以成为可能，要归功于我们实验室数代成员先前的工作，以及Tobias Kippenberg教授在开发低损耗氮化硅光子集成电路方面的持续努力和远见。”

研究人员使用自定义的广义非线性薛定谔方程脉冲传播代码，以及一种用于掺铒增益的原创自洽迭代方法，进行了广泛的模拟。“这些模拟对于绘制可行参数范围并指导设计至关重要，”Qiu说。“我们将公开这些代码。”

就项目进展而言，这次异常顺利——从提出设计到观察到首次片上锁模，仅用了大约八个月时间。

而采用Mamyshev振荡器这一想法背后的故事也颇为有趣。“我一直在思考如何利用掺铒波导构建锁模激光器，但模拟结果表明，强约束波导的高非线性度很容易导致脉冲分裂，而我找不到好的解决方案，”Qiu说。“后来，在一次去吃午饭的路上，我向当时我指导的清华大学实习生（现就读于哈佛大学）刘仲舒描述了这一困境。他当时正在做一个不相关的项目，但之前有光纤Mamyshev振荡器的经验。我们立刻意识到，这一概念恰好解决了光纤激光器的这一问题，也可能成为我们问题的解决方案——于是我们就此推进。这很好地提醒我们，非正式的国际科学交流能以完全意想不到的方式激发灵感。”

EPFL片上超快激光器特写 图片来源：Zheru Qiu/EPFL

更小的体积，更低的成本

Qiu预计其激光器的一个直接应用是作为固态或光纤锁模激光器的替代品——可能提供更小的体积和更低的成本。“这类激光器可作为超连续谱光源、紫外光源和太赫兹光谱仪的引擎，”他指出。“它们还可赋能那些目前因成本或复杂性而难以采用超快激光器的应用，例如作为激光切割系统的种子激光器。”

Qiu及其同事目前正在探索几个不同的方向。“在应用方面，我们正在开发利用这些脉冲实现新型片上系统的方法，包括光谱学和微波光子仪器，”他说。“我们还在致力于实现不同的工作波长、更低的阈值/功率要求以及更低的噪声性能。与此同时，我们正在研究一种基于色散管理孤子和混合集成半导体可饱和吸收镜（SESAMs）的集成锁模激光器的互补方案。”