研究人員開發出一種在光子晶片上製造緊湊型鎖模雷射的新方法，使用鈮酸鋰進行主動鎖模。這項技術有望將大規模超快雷射實驗引入晶片級格式，並計劃進一步縮短脈衝持續時間和提高峰值功率。

雷射在日常生活中已相對普遍，但除了在狂歡派對上提供燈光錶演和掃描雜貨上的條碼外，雷射還有很多用途。雷射在電信、計算以及生物、化學和物理研究領域也具有重要意義。

在後一種應用中，能夠發射超短脈衝的雷射尤其有用，這種雷射的脈衝為萬億分之一秒（1 皮秒）或更短。利用在如此小的時間尺度上工作的激光，研究人員可以研究極快發生的物理和化學現象–例如，化學反應中分子鍵的生成或斷裂，或材料內部電子的運動。這些超短脈衝也廣泛用於成像應用，因為它們的峰值強度極大，但平均功率較低，因此可以避免加熱甚至燒毀生物組織等樣本。

在《科學》雜誌上發表的一篇論文中，加州理工學院電子工程與應用物理學助理教授阿里雷扎-馬蘭迪（Alireza Marandi）介紹了他的實驗室開發的一種在光子晶片上製造這種雷射（稱為鎖模雷射）的新方法。這種雷射使用奈米級元件（奈米是十億分之一公尺）製造，可以整合到光基電路中，類似於現代電子產品中的電基積體電路。

鈮酸鋰製成的奈米光子鎖模雷射發出一束綠色雷射。資料來源：加州理工學院

馬蘭迪說：”我們感興趣的不僅僅是讓鎖模雷射更加緊湊。我們很高興能在奈米光子晶片上製造出性能良好的鎖模雷射器，並將其與其他元件結合在一起。到那時，我們就能在積體電路中建構一個完整的超快光子系統。這將把目前屬於米級實驗的超快科學和技術財富帶到毫米級晶片上”。

超快雷射與諾貝爾獎的認可

這類超快雷射對研究工作非常重要，今年的諾貝爾物理學獎授予了三位科學家，以表彰他們開發出能產生阿秒脈衝的雷射（一阿秒等於一秒的五十億分之一）。然而，這種雷射目前極為昂貴且笨重，馬蘭迪指出，他的研究正在探索在晶片上實現這種時間尺度的方法，這種晶片可以便宜很多，體積也更小，目的是開發出價格合理、可部署的超快光子技術。

他說：「這些阿秒實驗幾乎都是用超快鎖模雷射完成的。其中一些實驗的成本可能高達1000 萬美元，而其中很大一部分就是鎖模雷射器的成本。我們很高興能考慮如何在奈米光子學中複製這些實驗和功能。”

馬蘭迪實驗室開發的奈米光子鎖模雷射器的核心是鈮酸鋰，這是一種具有獨特光學和電學特性的合成鹽，在這種情況下，可以透過應用外部射頻電訊號來控制和塑造激光脈衝。這種方法稱為腔內相位調變主動鎖模。

“大約50 年前，研究人員在桌面實驗中使用腔內相位調製來製造鎖模激光器，並認為與其他技術相比，這種方法並不十分合適，”論文第一作者、前馬蘭迪實驗室博士後郭秋實（音譯）說。”但我們發現它非常適合我們的整合平台”。

“除了體積小巧之外，我們的雷射還表現出一系列引人入勝的特性。例如，我們可以在很寬的範圍內精確調節輸出脈衝的重複頻率。我們可以利用這一點來開發晶片級穩定頻率梳狀源，這對於頻率計量和精密感測來說至關重要，”現任紐約市立大學高級科學研究中心助理教授的郭補充道。

未來目標和研究影響

馬蘭迪說，他的目標是繼續改進這項技術，使其能夠在更短的時間尺度和更高的峰值功率下運行，目標是達到50飛秒（飛秒是十億分之一秒） ，這將是他目前設備的100倍改進，目前設備產生的脈衝長度為4.8皮秒。

介紹這項研究的論文題為”奈米光子鈮酸鋰中的超快鎖模雷射”，發表在11月9日的《科學》雜誌上。