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集成光学芯片研究获重要进展,西安光机所集成

在中国科学院B类战略性先导科技专项“大规模光子集成芯片”支持下,中科院西安光机所微纳光学与光子集成团队近日在集成光学芯片研究领域获重要进展。相关成果日前发表于《美国化学学会—光子学》。

作为现代光学尤其是集成光学核心部分,高质量脉冲与相干激光光源一直以来都是学术界与产业界的重要关注点。在中国科学院B类战略性先导科技专项“大规模光子集成芯片”支持下,中科院西安光学精密机械研究所微纳光学与光子集成团队近期在片上集成光源方面取得系列研究进展。

研究人员利用自主创新研制的片上微环谐振腔,基于耗散四波混频效应,实现了基频为49GHz的稳定激光脉冲输出,相比于超短腔脉冲激光器,有效降低了由Schawlow and Townes限制带来的高相位噪声。同时利用片上激光模式选择机制,实现了49-735GHz的多倍速率的激光脉冲,突破了激光腔自由光谱范围对重复频率的限制。

首先,在片上实现了以49GHz为基频的多倍频稳定激光脉冲源,该研究成果于7月19日发表在SCI期刊ACS Photonics上。通过设计不同激光器参数,利用激光腔内光场增益、非线性和色散的相互作用,产生的各类脉冲激光源已经在学术和商业领域中取得丰硕的成果。不过,超高速光学时钟、高速光通信技术、微波光子学、光谱测量及天文光频梳等领域对激光脉冲源的重频提出了更高的需求。西安光机所利用自主研制的片上微环谐振腔,基于耗散四波混频效应,实现了基频为49GHz的稳定激光脉冲输出,相比于超短腔脉冲激光器,有效降低了由Schawlow and Townes限制带来的高相位噪声。同时利用片上激光模式选择机制,实现了49~735GHz的多倍速率的激光脉冲,突破了激光腔自由光谱范围对重复频率的限制。

这是西安光机所继今年6月份在《自然》发表基于微谐振腔中多个高纯度频率模式相干叠加的独特方案,解决片上高维纠缠双光子态制备与控制的国际难题,证实了利用10级纠缠双光子态实现超100维的片上量子系统,并通过频率操控实现了对量子态灵活控制的重要突破之后又一重要成果。该研究为未来光量子集成芯片的发展奠定了重要基础。

其次,在傅里叶变换极限超窄谱片上锁模激光技术方面取得重要突破。传统锁模技术常被用来实现超短脉冲,研究者更多地将锁模技术用于展宽频谱带宽以实现超短、亚皮秒级甚至阿秒级的激光脉冲,而傅里叶变换极限超窄谱片上纳秒脉冲的锁模激光器较难实现,这种激光器因其频谱带宽比较窄,可以被广泛应用于光谱学测量、传感器、相干光通信以及量子光学等领域。西安光机所和国外多家单位合作,利用非线性放大环路反射镜实现了超窄谱的集成被动式锁模激光器,其中核心的环路反射镜采用研究所特有的低损耗高折射率差高Q值微环谐振器。该激光器输出的激光脉冲时域半高全宽为4.31ns,平均输出光功率约为2.5mW,峰值功率可达约60mW,输出振幅RMS<2.3%,谱宽104.9MHz,相比传统降低2个数量级。该研究成果2017年发表于《自然-光子学》(Nature Photonics)期刊上。

(原载于《中国科学报》 2017-08-07 第4版 综合)

以上研究成果是西安光机所微纳光学与光子集成团队继交叉偏振光子对产生、片上多光子纠缠态产生、可见光光学频率梳实现以及高维度光量子芯片等成果之后的系列突破性进展,为未来光量子集成芯片的发展奠定了重要基础。

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超高重频脉冲激光源的产生机理示意图

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49GHz激光脉冲的实验测试结果

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实验结果图

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超窄谱锁模激光器实验装置

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