光频梳在通信、计量学和传感等领域支撑着广泛的应用，然而其发生、可控性、效率等方面仍存在挑战，在集成系统中尤是如此。近日，美国罗切斯特大学的林强教授课题组，通过薄膜铌酸锂（TFLN）与III-V增益芯片的异质集成，实现了可直接输出光孤子的片上激光器。该激光拥有600 Hz的平均线宽，100%的光学效率，以及高速调频功能。该成果于近期发表于《自然通信》（Nature Communication）上，文章以 “Electrically empowered microcomb laser” 为题阐述了构建该类光频梳激光器的方法，并系统地研究了其机理与性能。
光学频率梳是由在频域等间距相干光组成的光源，在计量学、光谱学、原子钟、光学计算、微波等方面有诸多应用。光频梳通常通过用窄线宽激光泵浦高Q谐振腔的方式产生，这种方法导致其在稳定性，光转换效率，以及可调性方面存在挑战。近年来，研究人员尝试将光频梳集成于片上光学系统中，并取得了重大进展。通过将半导体激光器与光微腔异质集成，人们缩小了光频梳器件的尺寸，重量和功耗，并拓宽了其应用。然而，这并没有解决上述光频梳产生原理本身的限制。
这项研究，通过直接在单个激光腔中同时引入增益，电光调制与三阶光学非线性效应，实现了一种在原理上不同于传统光频梳的新方法。该方法直接将增益作用于一系列激光模式并使他们相位锁定，从而令激光器能直接输出光谱梳。电光调制效应的引入，还为该光频梳提供了可控性。这种方法可以应用于不同的激光器设计与结构，如上图所示，该课题组还提出了两种不同的典型结构设计，对应不同的应用场合。
这种微光频梳激光器可以产生谱宽约20 nm，间隔40 GHz，平均本征线宽约600 Hz的光频梳。由于所有光学增益都作用于光频梳，该光频梳展示了100%的光学效率与5.6%的总电光转化效率，以及 11 mW的输出光功率。通过开关加载的微波电信号，激光器可实现快速的自启动和关闭,并在单频激光和光频梳间切换。通过改变所加载的微波电信号，该研究团队可以调控该光频梳的带宽和频率间隔，或是通过施加电学反馈使该光频梳激光器实现自锁。
另外，该激光器可以实现高速的整体调频。通过同时施加微波的驱动电信号与调频信号，输出光频梳可以以100 MHz的频率来回扫描， 其扫描速率最高可达图片Hz/s，而光频梳本身的频率间隔以及其他特性均保持不变。这种高速的频率调制性能可以广泛应用于调频连续波的激光雷达、微波、光谱仪等诸多场景中。
综上所述，这项研究提出了一种微频梳激光器，即开即用，可以进行主/被动锁模，并且可以灵活地高速调谐与重新配置。其所展示的器件简洁地整合了简单的集成激光器结构、稳定的模式锁定操作以及可控的电光元件，而其性能远远超出了传统的半导体锁模激光器的范畴，为产生具有高功效的孤子微频梳开辟了新的途径。可预见这将在包括激光测距、通信、光学和微波合成、传感、计量学等众多应用领域具有巨大的潜力。
该研究工作由罗切斯特大学的凌经纬，高正东等博士生在林强教授的指导下共同完成。
论文信息：
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48544-2
