DOI: 10.1038/s41586-026-10517-4 最近，瑞士EPFL团队在《Nature》上发了一项很有意思的工作。他们在基于掺铒氮化硅的平台上，做出了单脉冲能量突破纳焦的片上集成锁模激光器。 “纳焦级”的片上飞秒，对于专注集成光学的同行而言，确实是一个让人眼前一亮的突破。但如果你是正儿八经做超快光纤激光器研发的，当仔细拆解它的技术架构时，你会感受到一种更加极致的物理与工程美感。今天我们来拆解一下这篇论文背后的门道，看看超快光学与集成光学这两条原本平行的科技树，是如何在非线性动力学的十字路口，完成了一次完美交汇。 图1. 基于Mamyshev振荡器的集成锁模激光器的原理 超快光纤激光的能量焦虑与Mamyshev破局 超快光纤激光器一直在朝着“高功率、高能量”的极限狂奔。老一代的锁模技术（比如SESAM或NALM），脉冲能量基本卡在nJ量级。为什么？因为光纤里不可避免的非线性效应：能量一高，脉冲就容易分裂、畸变，甚至把器件打坏。 直到2017年左右，Optica上首次明确提出了Mamyshev振荡器的概念，能产生50 nJ、40 fs的脉冲[1]；2019年，直接把脉冲能量拔高到了1 uJ量级[2]，又冲上了Optica。 图2. Mamyshev锁模振荡器（从构建到参数突破） Mamyshev的核心逻辑极其直接：既然非线性效应无法避免，那就干脆利用它！它的结构异常简单，比如一个线型腔，两端放两个中心波长完全错开的光栅。普通的连续光根本透不过去（被挡死了）。但高能脉冲在光纤里狂飙时，会产生强烈的SPM效应让光谱大幅展宽。展宽后的光谱就能同时穿过两个光栅，从而维持系统运转。并且能够实现全光纤、全保偏结构，稳定性也大幅提升。 不过，Mamyshev也有个致命的工程痛点：高调制深度抑制了连续光分量，使得锁模前的巨脉冲无法产生，导致很难启动锁模。早期得靠外部飞秒种子源注入来“点火”，后来发展到通过调制泵浦信号或调谐光栅波长，才优雅地实现了系统级的自启动[3]。 片上光学的器件进化 与此同时，片上集成光学（硅基、氮化硅基等）也在疯狂迭代：波导损耗越来越低，光子在芯片里能跑得更远；掺杂工艺不断突破，从无源走向有源（掺铒等增益波导），且掺杂浓度越来越高；片上微纳器件日益成熟，比如极其精密的波导布拉格光栅(WBG)已经可以完美制造。特别是2022年EPFL团队在 Science上发表攻克了高增益的片上掺铒放大器难题后，从无源走向有源的道路被彻底打通[4]。 图3. 2022年该团队攻克的片上高增益掺铒放大器（Science） 但片上光学一直有个“非线性诅咒”。相比于光纤，片上波导的光场限制极强，它的有效非线性系数比光纤高出整整三个数量级。这意味着，如果沿用传统的SESAM机制，脉冲在芯片内只要稍微积累一点能量，就会瞬间崩溃。这就是为什么在过去的集成锁模演示中，脉冲能量始终在几皮焦低位徘徊[5]，根本无法驱动后续的超连续谱等非线性过程。 金风玉露一相逢：底层逻辑的完美契合 这就到了这篇Nature工作最让人拍案叫绝的地方。作者没有在芯片上去死磕传统锁模，而是敏锐地察觉到了：片上波导那高得吓人的非线性，不正是Mamyshev振荡器梦寐以求的“完美引擎”吗？这两者的交融简直是天作之合： 无需人工吸收体：用芯片上两个波长错开的WBG光栅，完美实现了Mamyshev构型，彻底抛弃了脆弱的物理可饱和吸收体。 非线性化敌为友：芯片极高的非线性使得脉冲在短距离内就能获得巨大的光谱展宽。Mamyshev机制能够承受高达60π的巨大非线性相移而不发生脉冲分裂，完美驾驭了片上的极端环境。 低重频与高能量：得益于低损耗的掺杂波导，芯片内可以盘绕出亚米级长度的激光腔，从而实现175.5 MHz这样的较低重复频率（相对于孤子微腔）。在有限的平均功率下，单脉冲能量直接达到1 nJ，超过之前报道的PIC超快光源2个数量级（这即使对于掺铒光纤锁模来说，也是极其优异的指标）。 自启动锁模：作者通过对泵浦电流进行不到10秒的瞬时调制，在时域上制造尖峰，直接跨越滤波器门槛实现了自启动锁模。不需要任何外部种子源，这在半导体泵浦控制中极其容易实现。 图4. 该片上Mamyshev振荡器的基础输出特性分析 这样的脉冲压缩后实现147 fs，能够直接驱动Si3N4波导实现覆盖1.5倍频程的超连续谱。同时，基于此光源构建的紧凑型太赫兹时域光谱仪实现了5 THz的带宽和90 dB的动态范围，展示了其在非接触式化学分析与检测中的应用。 图5. 直接驱动超连续谱产生（无预放大） 展望未来的一体化终极形态 这篇工作为高功率集成飞秒激光器确立了一条极具潜力的演化路径。它证明了将非线性动力学管理策略转移到微纳尺度的光子芯片上不仅可行，而且高效。展望未来，随着混合封装技术的成熟，半导体泵浦源(LD)、Mamyshev核心振荡腔、片上压缩（色散波导或CFBG）以及超连续谱波导，有望最终在一块晶圆上实现单片集成，把那些摆在光学平台上的庞大超快系统装进口袋里。这样的光源可以驱动片上光学原子钟与精密计量、光谱检测，也可以用于一些高分辨率激光雷达与测距等场景。 图6. 该工作与其他集成超快脉冲源（以及少数商用激光器）的性能对比 参考文献 [1] Z. Liu, et al., "Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator," Optica 4, 649-654 (2017) [2] W. Liu, et al., "Femtosecond Mamyshev oscillator with 10-MW-level peak power," Optica 6, 194-197 (2019) [3] Y.-H. Chen, et al., "Starting dynamics of a linear-cavity femtosecond Mamyshev oscillator," J. Opt. Soc. Am. B 38, 743-748 (2021) [4] Y. Liu, et al., "A photonic integrated circuit–based erbium-doped amplifier," Science 376, 1309-1313 (2022) [5] Q. Guo, et al., "Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobate," Science 382, 708-713 (2023)
