全球首个多色集成激光器诞生，调频速度达1018Hz/s

近日，美国罗彻斯特大学（University of Rochester）电子与计算机工程教授Qiang Lin领导的一个合作研究团队宣布，他们开发出了全球首个多色集成激光器。

值得一提的是，这个激光器能在通信波长发射高相干光束，允许激光频率以创纪录的速度进行调谐，同时也是首个在可见光波段具有快速配置能力的窄线宽激光器，将有望重塑集成光子学的前景。

具体而言，他们把薄膜铌酸锂外腔引进到片上激光器，从而制备出了调频速度达1018Hz／s量级的窄线宽激光器，以及首个通信与可见光同时激射的集成激光器。

图片来源：University of Rochester

该项目由美国加州大学圣巴巴拉分校特聘教授John Bowers和美国加州理工学院（Caltech）教授Kerry Vahala共同领导，相关成果发表在《自然·通讯》杂志上。据悉，美国克莱姆森大学（Clemson University）教授Lin Zhu也参与了该项目。

上述研究团队指出，这一技术将为集成半导体激光器在激光雷达（光探测和测距）遥感中的新应用铺平道路，例如用于自动驾驶汽车。该技术还可能推动微波光子学、原子物理学和AR／VR等领域的相关进展。

集成半导体激光器一直是集成光子学的核心，在过去几十年中推动了信息技术和基础科学的许多进步。相干性方面的进步甚至极大地提高了通信的数据容量，以及片上传感和频率计量系统的精度。但可惜目前主流的集成激光器通常缺少一些关键功能。其中，缺乏快速可重构性、光谱窗口狭窄这两个主要挑战，已经成为阻碍许多应用进展和落地的关键瓶颈。

针对这些痛点，上述研究团队成功克服了一系列挑战，并基于“普克尔斯效应”（Pockels effect，又称“一级电光效应”）创造了一种新型集成半导体激光器，该激光器集成了锂－铌酸盐绝缘体平台。

通过使用绝缘铌酸锂（LNOI）波导元件形成外腔，研究团队将集成激光器中的III－V增益部分与“普克尔斯效应”结合起来，从而为片上激光器增添了几个新功能，包括窄线宽激光器（基本线宽11．3kHz）。

此外，Pockels激光器的一大优点是能够在激光腔内集成波长转换器，从而通过操作电信泵浦激光器，提供可见光的快速重新配置。

而基于EO效应，该设备具备了良好的可重构性，实现了创纪录的2．0倍激光频率调制速度EHz／s，切换速度更是高达50MHz。

研究人员指出，未来，该技术有望实现调频连续波激光雷达和量子信息系统光源的芯片化，并在硅光产线量产。

据介绍，这项新技术涵盖了以下优势特点：

－ 快速频率啁啾。这在激光雷达传感器系统中是非常关键的一点。该系统通过记录短脉冲发射和接收反射光之间的时间来测量距离。

－ 克服传统集成半导体激光器频谱带宽限制的频率转换能力。这将显著减少开发新波长激光器的困难。

－ 波长窄，可快速重构，提供“全片上激光解决方案”来探测和操作原子物理中的原子和离子，并有利于AR／VR和其他短波应用。