基于非线性微腔的芯片化超快脉冲激光器——利用“滤波器驱动－四波混频”腔型设计，研究人员得到了尺度相当于芯片大小、自启动、窄线宽、低噪声的超快脉冲激光器。

　　超快脉冲激光器产生50年来，在各个领域发挥着极其重要的作用。这些领域包括信息交换、疾病监控和治疗、材料加工等。利用被动锁模技术(特别是克尔透镜锁模技术)，目前人们可以得到的最短激光脉冲宽度在几个飞秒量级，脉冲重复频率范围大约在10～100MHz。最近，光频梳技术在度量学、电信、微芯片计算等众多领域等应用对超快脉冲激光器的重复频率提出了更高的要求。使用重复频率大于10GHz的超快脉冲激光作为工具，可以在这些应用领域中得到更好的测量结果。

　　获得高脉冲重复频率的传统途径为缩短激光器的腔长。重复频率为10GHz的锁模激光器对应的腔长仅为十几毫米，这样短的腔长使得获取超快脉冲激光较为困难；另一种途径被称为“四波混频激光器”设计，由Yoshida等人在1997年实现。“四波混频激光器”中包含了两个腔体结构，主腔和非线性腔，非线性腔插入在主腔当中。通过对主腔进行泵浦，可产生连续激光。连续激光进入非线性腔后，在其中多次往返，产生四波混频。四波混频产生的各频率成分具有固定的相位关系，经过相干叠加后，最终输出超快脉冲激光。和传统锁模激光器相比，四波混频激光器的脉冲重复频率和总腔长无关，由非线性腔决定，主腔内同时存在多个脉冲。非线性腔后有一个滤波器，来滤掉由于非线性效应产生的不必要的波长成分。通常情况下，为了维持多脉冲的稳定增益及相关的自相位调制等，主腔长度一般较长，这使得主腔纵模模式频率间隔小，造成非线性腔中同时存在的模式数较多，各个模式的相位并非完全一致，从而导致传统的“四波混频激光器”工作稳定性较差。

　　Peccianti等人利用芯片化高Q非线性微腔，同时实现了滤波器和非线性腔的功能。这样的设计大大简化了“四波混频激光器”的结构。Peccianti所采用的结构被称为“滤波器驱动－四波混频激光器”。滤波器驱动－四波混频激光器相对于传统的四波混频激光器主要有以下优势：1) 其效率更高。传统的四波混频激光器的非线性腔和滤波器是分开的两个器件，非线性腔通常插入在主腔中激光能量最高的部分，滤波器位于非线性腔之后，用来滤掉由于非线性效应带来的对结果不利的光谱展宽成分。而在滤波器驱动-四波混频激光器中，非线性腔和滤波器合为一体，由于滤波作用的存在，四波混频过程中不存在不必要光谱展宽引入的能量损耗，使得整个激光系统更为高效。2) 由于滤波器和非线性腔合为一体，使得滤波器驱动－四波混频激光器的主腔长度明显缩短，相应地，主腔纵模模式频率间隔变大，非线性腔中存在的模式数也大大减少(最理想的情况为非线性腔中仅存在一个主腔纵模模式)，从而大大提高了激光器工作的稳定性。3) 滤波器驱动－四波混频激光器可以产生窄线宽的超快激光脉冲，此点可大大提升光频梳应用中的工作精度。

滤波器驱动-四波混频激光器实验装置如下图6所示。图6中a为高Q值微腔，Q值为1.2×106，其在激光器既是非线性腔，亦是滤波器。高Q值微腔被插入主腔环路当中，除此之外，主腔光路中还包括了一段延迟控制线(用来控制主腔和非线性腔之间相位差)，中心波长控制器，法拉第隔离器和偏振控制器。为了对实验结果进行对比分析，研究人员采用了两个不同的主腔设计。其中一个主腔基于3 m长的掺铒光纤放大器，对应主腔的自由光谱范围为68.5MHz；另一个主腔基于33 m长的铒镱混掺光纤放大器，对应自由光谱范围为6MHz。最终，这两种主腔设计均实现了超快激光脉冲输出。研究人员利用自相关仪对两套激光系统的脉宽进行了分别测量。对比后发现，基于33 m长的主腔设计的激光器在输出激光脉宽上占有优势，在最高输入功率为68mW时，脉宽为730fs。但是其脉宽自相关信号信噪比低。基于3m长的主腔设计的激光器输出脉宽略宽，在最高输入功率为15.4mW时，脉宽为2.3ps，但是其脉宽自相关信号信噪比高，工作稳定性也更好。这两套激光系统的脉冲重复频率均为200.8GHz。

　　值得一提的是，在外部温度为21℃时，两套激光系统均可以稳定工作数小时以上。对激光输出的线宽进行测量，其线宽小于130 kHz。此外，研究人员还测量了相位噪声在射频谱中的表征值，结果均小于10 kHz。在没有插入任何稳频器件，重复频率为200 GHz量级的超快激光器中，这样噪声是非常低的。

　　综上所述，滤波器驱动-四波混频激光器具备脉冲重复频率高、稳定性好、窄线宽、噪声低等优点，其尺度仅相当于一个芯片大小，这样集成化的超快激光器对各领域的应用均有着极其重要的意义。