高重频、低噪声集成锁模激光芯片研制

Integrated high-speed broadband microwave photonic systems including photonic analog-to-digital convertor have made strict requirement on the performance of repetition rate and noise level of femtosecond laser sources. Traditional femtosecond fiber lasers and solid state lasers have good performance but have bulky volume. The stability, power consumption and cost limit their application in integrated chips. This proposal is to investigate the integrated mode-locked laser chip based on high-gain Erbium-doped waveguide (EDW) and 2D-material integrated saturable absorber (SA). Research will be focused on the mode locking mechanism of ultra-short cavities, EDW with high net gain and tunable dispersion and nonlinearity, 2D-material integrated SA, and hybrid integration technology. It is to explore the long upper-state lifetime of Erbium ions, the high power handling capability, short recovery time of 2D materials and tunable SA parameters to achieve low-noise high-power mode locking operation and to obtain an integrated mode-locked laser chip with high repetition rate (1 GHz), low jitter (<50 fs) and high power (>10 mW). This work will be the technological foundation of the development of high-performance integrated optoelectronic systems and their application in national defense and astronautics.

光模数转换芯片等集成化高速宽带微波光子处理系统，对飞秒激光源的重复频率、噪声水平等性能具有苛刻要求。传统飞秒光纤激光器和固态激光器虽然性能良好但体积庞大，稳定性、功耗、成本等都限制了其在集成芯片中的应用。本项目将研究基于高增益掺铒波导和二维材料集成饱和吸收体的集成锁模激光芯片。重点研究超短腔集成激光器锁模机理，具有高净增益和可调色散、非线性特性的掺铒波导，二维材料集成饱和吸收体，以及混合集成工艺，充分发挥铒离子上能级寿命长且功率容量高、二维材料弛豫时间短且饱和吸收参数可控的特点，实现低噪声、高功率锁模运行，研制出高重频（1 GHz）、低抖动（<50 fs）和高功率（>10 mW）的集成锁模激光芯片，为高性能集成光电子系统开发及其在我国国防、航天等领域的应用奠定技术基础。

传统锁模激光器的实现通常需要空间光或光纤等分立器件，集成锁模激光器通过在单片上实现锁模脉冲产生，因此受到广泛关注。相比于半导体增益，掺铒波导具有更长的上能级粒子寿命，因此可以实现更低噪声的锁模。本项目重点研究基于掺铒波导的片上锁模激光器。具体来说，我们首先对集成石墨烯饱和吸收体开展研究。通过溶液法将石墨烯薄膜转移到集成波导中，并结合双臂测量实现对石墨烯饱和吸收特性的表征。随后，我们对掺铒铌酸锂片上增益开展研究。掺铒铌酸锂波导具有掺杂浓度高、光场束缚强、波导损耗低等优点，我们实现了片上16 dB的信号增益。接着，我们对掺铒铌酸锂单频激光器开展研究。利用研制的掺铒铌酸锂增益波导，结合耦合腔或单谐振腔的设计，我们实现了1531 nm波长附近的单频激光器。最后，我们将掺铒铌酸锂增益波导与铌酸锂调制器相结合，实现了片上主动锁模激光器。锁模激光器的重复频率可达10 GHz，时间抖动小于50 fs，均达到了项目所设立的指标。关于掺铒薄膜铌酸锂片上增益的研究入选了光学知名会议OECC 2021 Postdeadline Paper，并指导学生获得了首届铌酸锂光子国际研讨会ISLNO 2021的最佳学生论文奖。在项目执行期中，共发表了标注受到本项目资助的SCI论文19篇，申请了14项发明专利，培养了11名博士和硕士研究生。在以上成果的支持下，项目负责人吴侃进一步得到了2019年自然科学基金优青项目的资助，将继续研究利用高Q值谐振腔产生超短锁模脉冲和光频梳的方案。上述工作将为集成光电子芯片真正走向实用化，并服务于我国芯片、大数据和国防等重大需求提供技术支撑。