据《科学》杂志新发表的一篇封面文章介绍，美国纽约市立大学和加州理工学院的研究人员展示了一种在纳米光子芯片上创建高性能超快激光器的新方法。这种小型化锁模激光器 (MLL) ，能以飞秒秒（1fs=10^-15秒）间隔发射一系列超短相干光脉冲。结果表明，开发超快纳米光子系统具有广泛的应用前景。

基于纳米光子铌酸锂的芯片级超快锁模激光器，可产生约1065 nm的超短约4.8 ps光脉冲，峰值功率约0.5W

超快锁模激光器可有助解开自然界最快时间尺度的秘密，例如化学反应过程中分子键的形成或断裂，或者湍流介质中的光传播。锁模激光器的高速、脉冲峰值强度和广谱覆盖范围也使得许多光子技术成为可能，包括光学原子钟、生物成像以及利用光计算和处理数据的计算机。

然而，在集成光子平台上实现大激光增益和高效锁模一直是一个特殊的挑战。大多数小型化锁模激光器价格昂贵，且功率要求高，并且需要笨重的分立光学元件和设备。因此，超快光子系统的使用通常仅限于实验室使用。此外，用于驱动纳米光子平台的所谓集成数小型化锁模激光器也面临着峰值功率低和缺乏可控性等关键限制。

纽约市立大学研究生中心物理学教授Qiushi Guo表示：“我们的目标是通过将大型实验室系统转变为可以大规模生产和现场部署的芯片大小的系统，彻底改变超快光子学领域。我们不仅希望把东西做得更小，而且还希望确保这些超快芯片大小的激光器能够提供令人满意的性能。”

研究人员通过将半导体光放大器芯片与新型薄膜铌酸锂纳米光子电路混合集成，研究人员创建了光学芯片大小的集成小型化锁模激光器。在加州理工学院的项目中，铌酸锂的特性允许通过应用外部射频电信号来控制和整形激光脉冲，这被称为腔内相位调制的主动锁模。据介绍，团队将III-V族半导体的高激光增益和TFLN纳米级光子波导的高效脉冲整形能力结合，研制出这种小型化锁模激光器能够产生约1065nm的超短约4.8ps光脉冲，峰值功率约为 0.5 W，这是纳米光子平台中任何集成小型化锁模激光器的最高输出脉冲能量和峰值功率。

加州理工学院电气工程和应用物理学助理教授 Alireza Marandi 表示：“我们不仅仅对使锁模激光器变得更加紧凑感兴趣。我们高兴的是能够在纳米光子芯片上制造性能良好的锁模激光器并将其与其他组件相结合。到那时我们就可以在集成电路中构建完整的超快光子系统。”

Alireza Marandi，加州理工学院电气工程和应用物理学助理教授

除了像指尖般大小的紧凑尺寸之外，新展示的锁模激光器还表现出许多传统激光器无法达到的特性，例如只要调节泵浦电流，其就能在200 MHz的宽范围内精确调谐输出脉冲的重复频率。团队希望通过激光器的强大可重构性，实现芯片级、频率稳定的梳状源，这对于精密传感至关重要。纽约市立大学研究生中心物理学教授Qiushi Guo说：“这将把目前属于米级实验的超快科学技术财富带入毫米级芯片。”

这一成果的实用性包括可使用手机诊断眼部疾病，或分析食物和环境中的大肠杆菌以及危险病毒，并可在GPS受损或不可用时实现导航。研究人员计划继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是 50 fs，这将比当前设备（生成长度为4.8 ps的脉冲）提高一百倍。